2023版高考物理一轮总复习第三章实验四验证牛顿运动定律课件

实验四验证牛顿运动定律一、基本原理与操作二、注意事项

(1)平衡摩擦力中的“不重复”：平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力.

(2)操作中的“一先一后一按”：每次开始时小车应靠近打点计时器，并先接通电源，后放开小车，且应在小车碰到滑轮前按住小车.

(3)作图中的“拟合与舍弃”：要使尽可能多的点在一条直线上，不在直线上的点也要尽可能均匀地分布在直线的两侧，遇到个别偏差较大的点应舍去.

三、误差分析

(1)因实验原理不完善引起误差.以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg＝(M＋m)a；以小车为研究对象得F＝Ma；求得F＝

MM＋m·mg＝

11＋

m·mg<mg.M

本实验用小盘和盘中砝码的重力mg代替小车所受的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和盘中砝码的重力.小盘和砝码的总质量越小，由此引起的误差就越小. (2)摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会产生误差.考点实验原理与实验步骤

【典题1】(2021年广东广州质检)某同学为了探究“加速度与力、质量的关系”，设计了如图S4-1所示实验装置. (1)某同学先平衡摩擦力.他将连接小车的纸带穿过打点计时器的限位孔，不挂小盘的小车靠着计时器放在水平长木板上，把木板不带滑轮的一端垫高，然后___________________________.经多次调整木板倾角，直到观察到打出来的纸带上的点间隔均匀，就说明已经平衡好小车所受的摩擦力.图S4-1

(2)平衡好摩擦力后，挂上装有重物的小盘，得到如图S4-2所示的纸带，已知打点计时器所使用的交流电频率为50Hz，则小车的加速度为______m/s2

(保留两位有效数字).图S4-2

(3)某同学用小盘和重物的重力作为小车所受的合力F，所得的F与真实值相比_____(填“偏大”“偏小”或“相等”).

(4)最后某同学用他的实验数据绘制了一个a­F图像，如图S4-3所示，发现图像没有过原点，形成的原因可能是________. A.小车释放时具有一定的初速度

B.绘制a­F的图像时，只将小盘中重物的重力作为合力F图S4-3C.平衡摩擦力时长木板倾角过大D.绳子并没有平行于长木板答案：(1)接通计时器电源，轻推小车(2)2.0(3)偏大(4)BC易错提醒(1)探究加速度与力的关系：根据多组(a，F)数据作出a-F图像.

①理想图像 图像是一条过原点的直线，可判断a∝F.②实际情况分析图像解析式为a＝

1m＋M·mg，可见连接数据点和坐标原点的直线斜率为

1m＋M.若M

为定值，则随着m的增大，此斜率会减小，当m不再远小于M时，图像向下弯曲.a-F

和a-mg·m，可见连接数据点和坐标(2)探究加速度与质量关系：根据多组(a，M)数据作出

1M图像.①理想图像②实际情况分析图像解析式为a＝

1M1＋

M此斜率会减小，当M不再远大于m时，图像向下弯曲.创新角度实验装置图拓展创新解读实验器材的创新1.通过传感器测量拉力的大小，减小系统误差.2.使用气垫导轨减小摩擦力对实验的影响，用光电门测量滑块的加速度创新角度实验装置图拓展创新解读实验目的的创新通过实验测动摩擦因数或滑动摩擦力的大小，与探究加速度与力和质量的关系不同，本实验是应用牛顿第二定律，通过实验数据分析或计算动摩擦因数或滑动摩擦力(续表)

考向1利用力传感器或弹簧测力计测量拉力的大小

【典题2】(2020年山东潍坊质检)某实验小组设计了如图S4-4甲所示的实验装置，通过改变重物的质量，利用计算机可得滑块运动的加速度a和所受拉力F的关系图像，图中力传感器可直接显示绳中拉力大小，他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a-F图线，如图乙所示.甲乙

图S4-4 (1)图线______(填“①”或“②”)是在轨道左侧抬高，成为斜面情况下得到的；要想使得该图线过原点应______(填“增大”或“减小”)轨道的倾角.

(2)滑块和位移传感器发射部分的总质量m＝_____kg；滑块和轨道间的动摩擦因数μ＝______.(g取10m/s2) (3)实验中是否要满足，滑块和位移传感器发射部分的总质量远远大于重物质量的条件？________.

解析：(1)由图像①可知，当F＝0时，a≠0.也就是说当绳子上没有拉力时滑块就有加速度，该同学实验操作中平衡摩擦力过大，即倾角过大，平衡摩擦力时木板的左端垫得过高.所以图线①是在轨道左侧抬高成为斜面情况下得到的；要想使得该图线过原点，即当有合力F时，才会产生加速度a，因此应减小轨道的倾角.(2)根据F＝ma得a＝

Fm，所以滑块运动的加速度a和所受拉力F的关系图像斜率等于滑块和位移传感器发射部分的总质量的倒数.由题图乙得加速度a和所受拉力F的关系图像斜率k＝2，所以滑块和位移传感器发射部分的总质量m＝0.5kg，由题图乙得，在水平轨道上F＝1N时，加速度a＝0，根据牛顿第二定律得F－μmg＝0，解得μ＝0.2.

(3)滑块和位移传感器发射部分受到的拉力由力传感器得出，实验过程中不需要控制滑块和位移传感器发射部分的总质量远远大于重物质量.答案：(1)①减小(2)0.5

0.2

(3)否考向2利用光电门测量速度的大小

【典题3】(2020

年贵州贵阳联考)为了“探究加速度与力的关系”，使用如图S4-5所示的气垫导轨装置进行实验，其中G1、G2

为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1

、G2

光电门时，光束被遮挡的时间Δt1、Δt2

都可以被测量并记录.滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片的宽度为d，光电门间的距离为x，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：

(1)若取M＝0.4kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值最不合适的一个是________.A.m＝5gC.m＝40gB.m＝15gD.m＝400g

(2)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求得的加速度a的表达式为_______(用Δt1、Δt2、d、x表示).(3)为了减少实验误差，可以采取的措施是________.A.适当增大挡光片宽度dB.适当减小挡光片宽度dC.滑块释放时应尽量靠近光电门G1D.适当增大滑块释放点与光电门G1

间的距离图S4-5v1＝，v2＝

解析：(1)本实验无法精确测量细绳的拉力得到滑行器的合外力，则需要用砝码的重力近似替代，而条件是要求m

M，故D项的m＝400g不满足近似的条件，故最不合适的质量选D. (2)由光电门测速度原理可得两个位置的瞬时速度为

dΔt1

dΔt2

(3)滑行器通过光电门的时间越短，平均速度越能接近代替瞬时速度，则适当减小挡光片宽度d，故A错误，B正确；测量匀变速运动的位移时，运动快一点，位移长一些，能适当减小测量产生的偶然误差，故C错误，D正确.

考向3选择整体作为研究对象

【典题4】(2020年海南调研)用图S4-6甲所示装置“探究物体的加速度与力、质量的关系”.实验前已经调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行，已经平衡了摩擦力.g取9.8m/s2.甲乙图S4-6(1)实验时保持小车(含车中砝码)的质量M不变，用打点计时器测出小车运动的加速度a.

图乙为悬挂一个钩码后实验中打出纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹未标出，测得各计数点到A点间的距离如图乙所示.已知所用电源的频率为50Hz，则小车的加速度大小a＝________m/s2.若悬挂钩码的质量为50g，把悬挂的钩码和小车(含车中砝码)看成一个整体，则小车(含车中砝码)的质量M＝_______kg.(结果均保留两位有效数字)

(2)实验时保持悬挂钩码的质量m不变，在小车上增加砝码，改变小车的质量，得到对应的加速度，若用加速度作为纵轴，小车(含车中砝码)的质量用M表示，为得到线性图像，则横轴代表的物理量为________A.小车(含车中砝码)的质量MB.小车(含车中砝码)的质量与悬挂钩码的质量之和m＋MC.小车(含车中砝码)的质量与悬挂钩码的质量之和的倒数

1m＋MD.悬挂钩码质量的倒数

1

m

解析：(1)已知打点计时器电源频率为50Hz，则纸带上相邻计数点间的时间间隔为T＝5×0.02s＝0.1s

根据Δx＝aT2

可得

xCE－xAC＝a(2T)2

小车运动的加速度为a＝xCE－xAC＝0.1636－0.0632－0.0632 0.04m/s2＝0.93m/s2