创新设计2017年高考物理专用一轮复习课件习题质量检测第3运动定律实验四

实验四 验证牛顿运动定律注意事项实验方法：控制变量法。平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要悬挂小盘，但小车应连着纸带且接通电源。用手给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。实验条件：只有满足M

m，小盘和砝码的总重力才可视为小 车受到的拉力。一先一后一按住：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车 应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且 应在小车到达滑轮前按住小车。5.作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位，这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些。误差分析因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重 力mg代替小车的拉力，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、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。热点一

实验原理与基本操作【例1】

在“探究加速度和力、质量的关系”实验中，采用如图1所示的装置图进行实验：图1(1)实验中，需要在木板的右端垫上一个小木块，其目的是。(2)实验中，已经测出小车的质量为M，砝码(包括砝码盘)的总质量为m，若要将砝码(包括砝码盘)的总重力大小作为小车所受拉力

F

的大小，这样做的前提条件是

。(3)在实验操作中，下列说法正确的是

(填序号)。A.求小车运动的加速度时，可用天平测出小盘和砝码的质量M′和m′，以及小车质量M，直接用公式a＝M′＋m′Mg

求出B.实验时，应先接通打点计时器的电源，再放开小车C.每改变一次小车的质量，都需要改变垫入的小木块的厚度D.先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持小车

受力不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系解析

(1)本实验木板表面不可能光滑，摩擦力会影响实验结果，所以要平衡摩擦力。M＋m(2)根据牛顿第二定律得，mg＝(M＋m)a，解得

a＝

mg

，则绳子M＋m1＋mM的拉力

F＝Ma＝

Mmg

＝

mg

，可知当砝码(包括砝码盘)的总质量远小于小车质量时，小车所受的拉力等于砝码(包括砝码盘)的总重力，所以应满足的条件是砝码(包括砝码盘)的总质量远小于小车的质量。(3)本实验的目的是：探究加速度和力、质量的关系，所以不能把牛顿第二定律当成已知的公式来使用，故A错误；使用打点计时器时，都应该先接通电源，后释放纸带，故B正确；平衡摩擦力后μ＝tanθ，与重物的质量无关，所以不用再次平衡摩擦力，故C错误；本实验采用控制变量法，故D正确。答案

(1)平衡摩擦力

(2)m

M

(3)BD【变式训练】1.在“探究加速度与力、质量的关系”时采用如图2所示的实验装置，小车及车中砝码质量为M，砂桶及砂的质量为m。图2(1)若已平衡摩擦力，在小车做匀加速直线运动过程中，绳的张力大小T＝

，当M与m的大小满足

时，才可认为绳子对小车的拉力大小等于砂和砂桶的重力。(2)某同学在保持砂和砂桶质量m一定的条件下，探究小车加速度a与质量M的关系，其具体操作步骤如下，则做法合理的有()A.平衡摩擦力时，砂桶应用细线通过定滑轮系在小车上且小车后面的纸带也必须连好B.每次改变小车质量M时，都需要重新平衡摩擦力

C.实验时，先接通计时器的电源，再放开小车D.用天平测出

m

及

M，直接用公式

a＝mg

小车运动的加M

求出速度解析

(1)由牛顿第二定律知：对小车有

T＝Ma，对砂和砂桶有mg－T＝ma，所以T＝

Mmg

＝mgM＋m

1＋m/M，可见当

M m

时，T≈mg。(2)平衡摩擦力时，应在不挂砂桶的情况下让小车带着纸带匀速下滑来平衡摩擦力，A

错误；每次改变小车质量M

时，不需要重新平衡摩擦力，B

错误；实验时，先接通计时器的电源，再放开小车，C

正确；小车运动的加速度必须由纸带上的测量数据计算得到，D

错误。答案

(1)mg1＋m/MM

m

(2)C热点二

数据处理及误差分析【例2】

一小组的同学用如图3所示装置做“探究物体质量一定时，加速度与力的关系”的实验。图3(1)下列说法正确的有

。A.平衡摩擦力时，用细线一端挂空砝码盘，另一端与小车相连，将木板适当倾斜，使小车在木板上近似做匀速直线运动B.每次改变砝码及砝码盘总质量之后，应重新平衡摩擦力

C.应让砝码及砝码盘总质量远大于小车及里面钩码的总质量D.砝码及砝码盘总质量远小于小车及里面钩码总质量时，可以近似认为小车受到的拉力等于砝码及砝码盘的重力(2)图4甲为实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分。从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两计数点之间都有4个计时点没有标出，用刻度尺分别测量出A点到B、C、D、E的距离如图4所示，已知打点计时器接在频率为50

Hz的交流电源上，则此次实验中小车运动加速度的测量值a＝

m/s2。(结果保留两位有效数字)图4(3)某同学平衡摩擦力后，改变砝码盘中砝码的质量，分别测量出小车的加速度a。以砝码盘及砝码的重力F为横坐标，以小车的加速度a为纵坐标，得到如图乙所示的a－F图线，则图线不通过坐标原点的主要原因是

。解析

(1)平衡摩擦力时，应将细线从小车上取下，轻轻推动小车，使小车沿木板运动，通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动，A错误；每次改变砝码及砝码盘总质量之后，不需要

重新平衡摩擦力，B错误；应让砝码及砝码盘总质量远小于小车及里面钩码的总质量，C错误；砝码及砝码盘总质量远小于小车及里面钩码的总质量时，可以近似认为小车受到的拉力等于砝码及砝码盘的重力，D正确。CE－AC

0.229

0－0.090

2－0.090

2(2)a＝

＝

m/s2＝1.2

m/s2（2T）2

（2×0.1）2(3)当F＝0时，a≠0，也就是说当细线上没有拉力时，小车就有加速度，这是平衡摩擦力时木板倾角θ偏大，即平衡摩擦力过度引起的。答案

(1)D

(2)1.2

(3)平衡摩擦力过度【变式训练】2.如图5所示为某同学探究加速度与力和质量关系的实验装置，两个相同质量的小车放在光滑水平板上，前端各系一条细绳，绳的一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可放砝码。两小车后端各系一条细绳，一起被夹子夹着使小车静止。打开夹子，两小车同时开始运动；关上夹子，两小车同时停下来，用刻度尺测出两小车的位移，下表是该同学在几次实验中记录的数据。图5实验次数车号小车质量(g)小盘质量(g)车中砝码质量(g)盘中砝码质量(g)小车位移(cm)1甲50100015乙5010010302甲501001027.5乙50105010143甲50100018乙50101010请回答下述问题：(1)在每一次实验中，甲、乙两车的位移之比等于

之比，请简要说明实验原理：

；第一次实验控制了

不变，在实验误差允许范围内可得出的结论是

；第二次实验控制了

不变，在实验误差允许范围内可得出的结论是

；

(4)第三次实验时，该同学先测量了甲车的位移，再根据前两次实验结论，计算出乙车应该发生的位移，然后再测量了乙车的位移，结果他高兴地发现，理论的预言与实际符合得相当好。请问，他计算出的乙车的位移应该是

。2at2移之比等于加速度之比，即s

甲∶s

乙＝a

甲∶a乙。第一次实验中控制小车质量不变，在实验误差允许范围内，小车加速度与拉力成正比。第二次实验中控制小车所受拉力不变，在实验误差允许范围内，小车加速度与质量成反比。a乙a甲

F甲/m甲乙

乙3(4)

＝F

/m

＝5，

＝s甲

a甲s乙

a乙3＝5，得s

乙＝30

cm。(2)小车质量；小车加速度与拉力成答案

(1)加速度；见解析正比(3)小车所受拉力；小车加速度与质量成反比

(4)30

cm热点三

实验的改进与创新以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、设计性等特点。视角1

实验器材的改进气垫导轨(不用平衡摩擦力)

替代

长木板――→视角2

数据测量的改进视角3

实验的拓展延伸以“验证牛顿运动定律”为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。【例3】

（2014·新课标全国卷Ⅰ）某同学利用图6甲所示实验装

置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应

关系图，如图乙所示。实验中小车（含发射器）的质量为200

g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度

由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题：图6根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成(填“线性”或“非线性”)关系。由图乙可知，

a

－

m

图线不经过原点，可能的原因是

。若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是

，钩码的质量应满足的条件是

。解析

(1)把图乙中的点用平滑线连接后，可以看出，a－m图线是曲线即非线性。(2)由图象可知，小车受到钩码的拉力作用，但加速度仍为零，可能的原因是小车还受到摩擦力的作用。(3)改进措施：第一图线不过原点，要平衡摩擦力，所以调整轨道的倾斜度；第二，要使小车受到合外力等于钩码的重力，要求钩码质量不能太大，即远小于小车的质量。答案(1)非线性(2)存在摩擦力(3)调整轨道倾斜度以平衡摩擦力远小于小车质量【变式训练】3.图7为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图。实验步骤如下：图7①用天平测量物块和遮光片的总质量M，重物的质量m，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，用米尺测量两光电门之间的距离s；②调整轻滑轮，使细线水平；③让物块从光电门A

的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A

和光电门B

所用的时间ΔtA

和ΔtB，求出加速度a；—④多次重复步骤③，求a

的平均值a；⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数μ。回答下列问题：(1)

测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1

mm)的示数如图8所示。其读数为

cm。图8(2)物块的加速度

a

可用

d、s、ΔtA

和

ΔtB

表示为

a＝

。—动摩擦因数

μ

可用

M、m、a和重力加速度

g

表示为

μ＝

。如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于(填“偶然误差”或“系统误差”)。解析

(1)d＝0.9

cm＋12×0.05

mm＝0.960

cmA(2)因为

v

＝

d

ΔtAB，v

＝

d

ΔtB2B2A，又由

2as＝v

－v

，得

a＝

1

[(

d

)2－(

d

)2]2s

ΔtB

ΔtA(3)设细线上的拉力为T，则mg－T＝ma，T－μMg＝Ma－

－两式联立得μ＝—mg－（M＋m）a

Mg(4)细线没有调整到水平，属于实验方法粗略，这样会引起系统误差。BA1

d

2

d

2答案

(1)0.960

(2)2s[(Δt

)

－(Δt

)

](3)mg－（M＋m）a—Mg(4)系统误差1.(2016·江西重点中学联考)(1)我们已经知道，物体的加速度a同时跟合外力F和质量M两个因素有关。要研究这三个物理量之间的定量关系，需采用的思想方法是

。图9(2)某同学的实验方案如图9所示，她想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减少这种做法带来的实验误差，她先做了两方面的调整措施：①用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是

。②使砂桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于

。(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时，处理方案有两种：2sA.利用公式a＝

t2

计算ΔsB.根据逐差法利用a＝

T2

计算两种方案中，选择方案

比较合理。解析

(1)实验研究这三个物理量之间关系的思想方法是控制变量法。用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡摩擦力，只有在满足砂桶的质量远小于小车的质量时，拉力才可近似等于砂桶的重力。计算加速度时，用逐差法误差较小。答案

(1)控制变量法

(2)平衡摩擦力

砂桶的重力

(3)B2.利用如图10装置可以做力学中的许多实验：(1)以下说法正确的是

。图10用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和滑轨间的摩擦阻力的影响用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须调整滑轮高度使连接小车的细绳与滑轨平行C.用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，每次改变砝码及砝码盘总质量之后，需要重新平衡摩擦力D.用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，应使砝码盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量(2)本装置中要用到打点计时器，如图11所示为实验室常用的两种计时器，其中b装置用的电源要求是

。A.交流220

VC.交流4～6V图11B.直流220VD.直流4～6V(3)在利用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如图12，已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，则此次实验中打点计时器打下A点时小车的瞬时速度为

m/s。(结果保留两位有效数字)图12解析(1)小车与滑轨间存在的摩擦力不会影响小车做匀变速直线运动，故不需要平衡摩擦力，A

项错误；为保持小车所受拉力方向不变，需要调整滑轮高度使连接小车的细绳与滑轨平行，B项正确；平衡摩擦力后，mgsin

θ＝μmgcos

θ，即tan

θ＝μ，即只需要调整好轨道倾角即可，与砝码与砝码盘总质量无关，C

项错误；F＝M＋mmg

11＋mMM＝

·mg，所以为确保小车所受拉力近似等于砝码盘和盘内砝码总重力，盘及盘内砝码总质量应远小于小车总质量，D

项正确。b

为电磁打点计时器，使用4～6

V

低压交流电源，C

项正确；a

为电火花打点计时器，使用交流220

V

电源。纸带中

A

点的瞬时速度等于以它为中间时刻某段位移的平均速度，即vA＝（6.10－3.98）×10－22×0.02m/s≈0.53

m/s。答案

(1)BD

(2)C

(3)0.53(0.51～0.53均对)3.某同学利用如图13甲所示的装置探究“小车的加速度与所受合外力的关系”，具体实验步骤如下：图13按照图示安装好实验装置，挂上砂桶(含少量砂子)；调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车沿长木板向下运动，且通过两个光电门的时间相等；取下细绳和砂桶，测量砂子和桶的总质量m，并记下；D.保持长木板的倾角不变，不挂砂桶，将小车置于靠近滑轮的位置，由静止释放小车，记录小车先后通过光电门甲和乙时显示的时间；E.重新挂上细绳和砂桶，改变砂桶中砂子的质量，重复B、C、D步骤。若砂桶和砂子的总质量为m，小车的质量为M，重力加速度为g，则步骤D中小车加速下滑时所受合力