2020届高三高考物理粤教版一轮复习教师讲义第三章实验四验证牛顿运动定律

实验四

验证牛顿动定律．实验原理保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系．保持合外力不变，探究加速度与质量的关系．作出－图和－图象，确定其关系．m．实验器材小车、砝码、小盘、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺．．实验步骤测量：用天平测量小盘和砝码的质量′和小车的质量.安装照如图1所装置把实验器材安装好是把悬挂小盘的细绳系在小车(即不给小车牵引．图平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块使小车能匀速下滑．操作：①小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放小车，断开电源，取下纸带编号码．②保持小车的质量m不，改变小盘和砝码的质量m，重复步骤③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.④描点作图，作a－的图象．⑤保持小盘和砝码的质量′变，改变小质量，复步骤①和③，作－图．m

22．注意事项平衡摩擦力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，使小车的重力沿面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动．不用重复平衡摩擦力．实验条件m′.一先一后一按：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．．误差分析实验原理不完善：本实验用小盘和砝码的总重力′代小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．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、带和细绳不严格与木板平行都会引起误差．．数据处理利用aT

及逐差法求以a为纵坐标F为坐标描画线如该为过原点的直线说成比．以a为纵坐标，为横坐标，描点、画线，如果该线过原点的直线，就能判定a与m成m反比．命点

教原实例1(2018·陕省宝鸡一)某同学利用如图甲所示装置探究“加速度与力物体质量的关系”，图中装有砝码的小车放在长木板上，左端拴有一不可伸长的细绳，跨过固定在木板边缘的滑轮与一砝码盘相连．在砝码盘的牵引下，小车在长木板上做匀加速直线运动，图乙是该同学做实验时打点计时器在纸带上打出的一些连续的点，该同学测得相邻点之间的距离分别是s、、、s、、，打点计时器所接交流电的周期为T.小车及车中砝码的总质146量为，码盘和中砝码的总质量为，地重力加速度为

65422226542222解得：a＝2图根据以上数据可得小车运动的加速度表达式为a该同学先探究合外力不变的情况下，加速度与质量的关系，以下法正确的．A平衡摩擦力时，要把装有砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上，把木板不带滑轮的一端缓慢抬起，反复调节直到纸带上打出的点迹均匀为止B．于小车受到的摩擦力与自身重力有关，所以每次改变小车质量时，都要重新平衡摩擦力mgC．天平测出M和m后小车运动的加速度可以直接用公式＝求MD．改小车质量时，会发现M的值越大，实验的误差就越小该同学接下来探究在质量不变的情况下，加速度与合外力的关系他平衡摩擦力后，每次都将小车中的砝码取出一个放在砝码盘中，用天平测得砝码盘及盘中砝码的总质量m，并通过打点计时器打出的纸带求出加速度．得到多组数据后，绘出如图丙－图，发现图象是一条过坐标原点的倾斜直线象中直线的斜率表用实验中可测量的量表)该同学在这个探究实验中采用的物理学思想方法．A理想化模型法C．限法

B控制变量法D．值答案解析

s＋＋－－－(2)D(3)T＋(1)为了减小偶然误差，采用逐差法处理数据，有：s－＝3a631

，－＝aT52

2

，－＝a43

，为了更加准确的求解加速度，对三个加速度取平均值得a(＋a＋)s＋＋－－－654T

在该实验中，我们认为细绳的拉力就等于小车所受的合外力，故平衡摩擦力时，细绳的另一端不能悬挂装砝码的砝码盘，故A错；由于平衡摩擦力之后有Mgsin＝μMgcos，故＝.以无论小车的质量是否改变，小车所的滑动摩擦力都等于小车的重力沿斜面的分力，改变小车质量时不需要重新平衡摩擦力，故B错误；小车运的加速度通过纸带求mg出，不能通过a＝求，故C误；本实验中，只有满足砝码盘和砝码的总质量远小于小M车质量M时才近似认为细绳拉力于小车所受的合外力，所以在改变小车质量时会发现M的越大，实验的误差就越小，故D确．对砝码盘和砝码m－＝′对小车及车中砝码：＝(＋m－m联立得mg(＋)认为小车及车中砝码所受合力＝所以F＝＋F即a，aF图是过坐标原点的倾斜线，直线的斜率表示＋m＋该实验采用控制变量法．变式1(2018·广省深圳市高级中学月某组同学设计了“探究加速度a与体所受合力F及质量关系”实验．如图3甲为实验装置简图，为小车为火花计时器C为装有细砂的小桶D为端带有定滑的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得．

2222222222图如图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50Hz.根纸带可求出电火花计时器打点时的速度m，车的加速度大小s结均保留两位有效数字)在“探究加速度a质量的系”时学按照自己的方案将验数据都在坐标系中进行了标注，但尚未完成图象如图丙所)．请继续帮助该同学作出坐标系的图象．在“探究加速度a合力的系”时学根据实验数据作出了加速度a与力F的图线如图丁所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因：答案

(2)见解析图实前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够解析

＋BC＋6.70－(1)点瞬时速度为＝＝B4T4

2

≈由逐差法求解＋DE小车的加速度，＝×＝

＋7.72－6.19－－×

2≈s根据描点法作出图象，如图所示：图线不通过坐标原点不为零时，加速度仍为零，则实验没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够．命点

教实创

实验装置图

创新/改进点1.验方案的改进：系统总质量不变化，改变拉力得到若干组数据.2.传感器记录小车的时间t与移接绘制s－图.3.用牛顿第二定律求解实验中的某些参量，确定某些规律.1.传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度.2.象法处理数据时，用钩码的质量代替合力，用a－m图代替a图.1.光电门代替打点计时器，遮光条结合光电门测得物块的初速度和末速度，由运动学公式求出加速度2.合牛顿第二定律，该装置可以测出动摩擦因数.弹簧测力计测量小车所受的拉力，钩码的质量不需要远小于小车质量无需钩码的质.1.垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦.2.传感器测量滑块所受的拉力，钩码的质量不需要远小于滑块质量无需钩码的质.3.光电门代替打点计时器，遮光条结合光电门测得滑块的末速度，由刻度尺读出遮光条中心初始位置与光电门之间的距离，由运动学公式求出加速度.例2(2016·全卷Ⅲ·23)某物理课外组利用图中装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系．图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码．本实验中可用的钩码共有5个，每个质量均为0.010实验步骤如下：

图将个码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小(和钩码)以在木板上匀速下滑．将n依次取n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端余N－n个钩码仍留在小车内手按住小车并使轻绳与木板平行．释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s－t图，经数据处理后可得到相应的加速度对应于不同的n的a值下表．＝2时－t图如图5所；由图求出此时小车加速度(保留2位效字)，将结果填入下表.

2222/(m·s

2

)

3

图利用表中的数据在图6中齐数据点，并作出－n图．从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比．图利用－n图求得小空)质量为________kg(保2位效数字，重力加速度取＝9.8

2

)．若以“保持木板水平”来代替步骤，下列说法正确的_____(填入正确选项前的标号Aa图线不再是直线B－n图仍直线，但该直线不过原点C．a－n图仍是直，但该直线的斜率变大答案解析

(3)0.39(4)见解析图(6)BC(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动将题图点2,0.78)代入＝at可得a＝0.39m/s

根据描点法可得如图所示图线．

mgmg根据牛顿第二定律可得＝M)a则＝，图线斜率k＝＝，＋M5m得M＝0.44kg若保持木板水平，则小车受到木板的摩擦力，有－＋－)＝(＋5m)a′得′＝－，a象仍为直线，但不过原点，且斜率变大，选项B、正．＋例3(2018·山省泰安上学期期)某实验小组在“探究速度与物体的质量力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，实验装置如示．已知小车质量M＝g打点计时器所使用的交流电频率f＝其验步骤是：图A按实验装置图安装好实验装置；B．用垫块调节长木板的倾角，轻推小车后，使小与带、细绳和砝码盘相)沿长木板向下做匀速运动；C．下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m将小车置于打点计时器旁(小车与纸带相连但与细绳和码盘不相连先接通电源再开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度；E．重新挂上细绳砝码盘，改变砝码盘中砝码质量，重复ABC、步，求得小车在不同合外力F作下的加速度．回答以下问题：按上述方案做实验要砝码和砝码盘的总质量远小于小车的量填“是”或

2222222222“否”)实验中打出的其中一条纸带如图所示，每隔个取一个计数点，该纸带可求得小车的加速度a________m/s(果保留三位有效数字)．图某次实验砝码盘中砝码的重力和对应小车加速度数据如下表次数砝码盘中砝码的重力F/N小车的加速度(m·s

①请根据表中的数据在虚线框中画出a－图象；②造成图线不过坐标原点的最主要原因_______________________________；③砝码盘的重力大小_答案③0.06解析

(1)否(2)0.880(3)见解析图②计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力(1)当小车匀速下滑时有Mgsin＝＋＋)g，当取下细绳和砝码盘后，由于重力沿0斜面向下的分力sinθ和摩擦力f变此其合外力为＋)g此可知该实验中不需0要砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量．相邻计数点间的时间间隔为＝0.1，在匀变速直线运动中连续相等时间内的位移差为常＋－7－0数，即aT，则有＝×0.1①aF图象如图所示

＝.

②由图象可知，当合外力为零时小车有加速度，这说明在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力．③根数学函数关系可知由该图延长线与横轴的交点可求出的物理量是砝码盘的重力大小，为N.变式2(2018·河省鹤壁市第二次段)习了传感器之后在“研究小车加度与所受合外力的关系”实验时，甲、乙两实验小组引进“位移传感器”、“力传感器”，分别用如图9(a)、所示的实验装置实验，重物通过细线跨过滑轮拉相同质量的小车，位移感器随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器A固在轨道一端．甲组实验中把重物的重作为拉力F，组直接用力传感器测得拉力F，变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出－图．图甲组实验把重物的重力作为拉力F的条件．(重物质量为m小车与传感器总质量为)(2)图(中符合甲组同学作出的实验图象是．选填“①”“②”或“③)

；符合乙组同学作出的实验图象是

MM答案解析

(1)mM②①(1)在该实验中实际是：＝＋)，要满足mgMa应该使重物的质量远小于小车和力传感器的总质量．在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；mg由实验原理：＝，＝，而实际上′，随着重物的质量增大，不再满Mm足重物的质量远远小于小车的质量题(中符合甲组同学做出的实验图象是②乙直接用力传感器测得拉力F，随着重物的质量增大力F的量是准确的a关为一倾斜的直线，符合乙组同学做出的实验图象.变式3(2019·四省泸州市质)如图甲示是某同学在探“物体质量一定时，加速度与合外力的关系”的实验装置，实验时将小车从光电门的侧由静止释放，与光电门连接的数字计时器可以测量遮光片经过光电门A、B所的时间t、t，答下列问题．A图10下列实验要求必须满足的________．A保证沙桶和沙的质量远小于小车的质量B．持沙和沙桶的质量不变C．持穿过光电门的细线与长木板平行D．持车的质量不变为测算小车的加速度，实验中还需要测量的物理量_________．实验中改变沙和沙桶的质量，得到小车加速度与力计示数F的应关系如图乙所示，图线不经过原点，可能的原因．答案足解析

(2)遮光片的宽度光门、间的距离未平衡摩擦力或平衡摩擦力不(1)由于该实验装置的连接方式，沙桶和小车不具有共同的加速度，小车是在细线的拉力作用下加速运动，此拉力可由测力计示数获得，不需要用沙和沙桶的重力来代替，故不要求沙桶和沙的质量远小于小车的质量，A错误；根据控制变量法原理可知，探究物体质量一定，加速度与合外力的关系时要保持小车的质量不变，改变沙和沙桶的质量，B错误，

D正；保持穿过光电门的细线与长木板平行，使平衡摩擦力后，细线的拉力等于小车受到的合外力，故正．已经知道遮光片经过光电门A所的时间tt，需要测量遮片的宽度，从而求A出经过、B时的速度，要求出加速度，根据匀变速直线运动位移与速度关即可求解，所以还要测出光电门A、间距离．图线不通过坐标原点不为零时，加速度仍为零，则实验未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足．命点

教实拓以“探究加速度与力、质量的关系”为背景测量物块与木板间的动摩擦因数．例4(2018·广省惠州市第二次调)采用图11甲所示的装置测量滑块与长木板间的动摩擦因数，图示滑块上可放置砝码，实验中，滑块碰到制动装置时，钩码尚未到达地面，已知打点计时器工作频率为Hz.图实验的部分步骤如下：①用天平称出滑块质量M钩码质量.②将纸带穿过打点计时器，连在滑块后端，用细线连接滑块和钩码；③将滑块停在打点计时器附近，放开滑块，接通电源，滑块拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一系列点，断开开关；④改变钩码的数量，更换纸带，重复③的操作．请指出以上实验步骤的重要遗漏与错误：遗漏的步骤是：错误的步骤是：图乙是钩码质量为m块质量为Mkg时到的一条纸带图所示为用

2Mg222222Mg22222刻度尺测量某一纸带上的的况，从图中可读出s＝s＝________cm.若滑块12运动的加速度大小为a，重力加速度大小为＝9.8.根以上相关物理量写出动摩擦因数的表达式μ＝________，纸带上数据可得出＝________.(果保留两位有效数)答案

步②中应调整细线与长木板水平且二者相平行

步骤③中应该先接通电源后释放滑块(2)5.50

mgMg

解析