第5讲　实验：验证牛顿运动定律

第5讲实验：验证牛顿运动定律

把握经典实验方案

一、基本原理与操作原理装置图操作要领(1)平衡：平衡摩擦力(改变小车或钩码质量，无需重新平衡摩擦力)。(2)质量：钩码的质量远小于小车质量(若使用力传感器，或以小车与钩码的系统为研究对象无需满足此要求)。(3)要测量的物理量①小车与其上砝码的总质量(用天平测量)。②小车受到的拉力(约等于钩码的重力)。③小车的加速度(根据纸带用逐差法或根据光电门数据计算加速度)。(4)其他：细绳与长木板平行；小车从靠近打点计时器的位置释放，在到达定滑轮前按住小车，实验时先接通电源，后释放小车。续表

融通多彩实验方案

粤教版新教材——探究加速度与力、质量的定量关系实验装置图[要点解读]1．用气垫导轨替代长木板做实验，不用再平衡滑块的摩擦力。2．利用光电门和数字计时器来计算滑块通过光电门的速度。3．利用小桶内加入橡皮泥来改变滑块所受的合外力。4．共同的注意事项(1)保证细绳与长木板或气垫导轨平行。(2)满足M≫m，以确保细绳的拉力近似等于悬挂的钩码或小桶和橡皮泥的重力。5．一致的误差分析思路(1)偶然误差①质量测量及其他数据测量不准确。②描点、连线不准确。(2)系统误差本实验用钩码或小桶和橡皮泥的重力作为细绳的拉力属于实验原理不完善引起

的误差。一、基础考法保住分考查点(一)实验原理与操作1．某实验小组利用图1所示的装置验证牛顿运动定律。(1)下列做法正确的是________(填字母代号)。A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)木块和木块上砝码的总质量。(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图1的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图2中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图2可知，m甲______m乙，μ甲______μ乙(均选填“>”“＝”或“<”)。解析：(1)实验中细绳要保持与长木板平行，A正确；平衡摩擦力时不能将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上，这样无法平衡摩擦力，B错误；实验时应先接通电源再放开木块，C错误；平衡摩擦力后，改变木块上的砝码的质量时，不需要重新平衡摩擦力，D正确。答案：(1)AD

(2)远小于(3)<

>[关键点拨](1)长木板上滑轮的高度可以调节，以使牵引小车(木块)的细绳与长木板保持平行。(2)平衡摩擦力：平衡摩擦力时，要调出一个合适的斜面，使小车(木块)的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车(木块)受的摩擦阻力。此时，不要把悬挂砝码桶的细绳系在小车(木块)上，即不要给小车(木块)加任何牵引力，要让小车(木块)拖着纸带运动。(3)实验条件：M≫m。只有如此，砝码桶和砝码的总重力mg才可视为小车(木块)受到的拉力。(4)一先一后：改变拉力和小车(木块)质量后，每次开始时小车(木块)应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车(木块)，且应在小车(木块)到达滑轮前按住小车(木块)。(5)如果没有平衡摩擦力，则其a-F图线将不是一条过原点的直线，而是一条与F轴有交点的倾斜直线。考查点(二)数据处理和误差分析2．某实验小组利用如图1所示的装置“验证牛顿运动定律”。(1)实验中除了需要小车、砝码、托盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、两根导线、复写纸、纸带之外，还需要________、________。答案：(1)天平刻度尺(2)反比过大(3)①

0.5二、创新考法不失分创新角度(一)实验目的的创新1．两位同学采用如图所示的装置测定物块与桌面间的动摩擦因数。实验中，他们使物块在重物的牵引下由静止开始运动，当重物落地后，物块再运动一段距离后停在水平桌面上，用打点计时器和纸带记录物块的运动。(1)实验时，甲同学测量出重物的质量为M，物块的质量为m，他选择了一条点迹清晰的纸带测量，计算出物块加速过程中的加速度大小为a；已知重力加速度为g，甲同学忽略滑轮质量和绳与滑轮间的摩擦，得出物块和桌面间的动摩擦因数表达式为μ＝________(用M、m、a、g表示)。(2)如图所示为乙同学选取的一段纸带，1、2、3、4、5是他选取的计数点，相邻两个计数点之间还有四个点未画出。已知打点计时器电源的频率为50Hz，当地的重力加速度大小为9.8m/s2。利用纸带测得的数据可求出该物块减速运动过程中的加速度大小a＝____m/s2，物块与桌面间的动摩擦因数μ＝______。(计算结果均保留到小数点后2位)[创新点分析](1)根据测量的加速度大小，结合牛顿第二定律得出物块与桌面的动摩擦因数。(2)重物落地后，物块水平方向只受滑动摩擦力作用做匀减速直线运动。

2．(2022·山东等级考)在天宫课堂中，我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下：①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；②接通气源，放上滑块，调平气垫导轨；③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点。A点到O点的距离为5.00cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示。回答以下问题(结果均保留两位有效数字)：(1)弹簧的劲度系数为________N/m。(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a-F图像如图丙中Ⅰ所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为________kg。(3)该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ，则待测物体的质量为________kg。[创新点分析]

(1)利用牛顿第二定律测物体的质量。(2)本题综合考查了F-t图像、a-t图像和a-F图像。

答案：(1)12

(2)0.20

(3)0.13创新角度(二)实验器材的创新3．某实验小组采用如图甲所示的实验装置验证牛顿运动定律。实验时滑块在细线拉力的作用下沿轨道运动，滑块受到的拉力由力传感器读出，位移传感器发射部分固定在滑块上随滑块运动，位移传感器接收部分固定在轨道上，能读出滑块的位移随时间的变化规律。(1)实验中________(填“需要”或“不需要”)重物的质量m与滑块的质量M满足M≫m。(2)如果滑块的位移与时间的关系式为x＝0.6t2，则滑块的加速度a＝________m/s2。(3)用正确的实验方法测得实验数据，作出a-F图线如图乙所示。由图中的a-F图线可知滑块受到的摩擦力大小为________N。[创新点分析](1)利用位移传感器得出滑块的位移随时间变化的规律，进而得出滑块的加速度。(2)利用力传感器测出滑块受到细线拉力大小。

答案：(1)不需要(2)1.2

(3)0.4创新角度(三)实验原理的创新4．(2023·自贡高三调研)某物理兴趣小组用如图所示装置探究加速度与合外力关系。已知当地重力加速度为g。(1)实验步骤如下：第1步：把长木板不带滑轮一端用铰链固定在水平桌面上，另一端用垫块垫起一定高度。两光电门固定在木板上，且光电门1和2距离较远，光电门1距离小滑块(带遮光条)比较近。第2步：通过调整沙桶内细沙的质量，直至给小滑块一个沿木板向下的初速度，小滑块匀速下滑，即观察到遮光条通过两光电门的时间________(填“相等”或“不相等”)为止。第3步：去掉小沙桶，把小滑块紧挨小滑轮由静止释放，记录遮光条(遮光条宽度为d)通过光电门2的时间t，同时测量出沙桶(包括里面的细沙)质量m。第4步：改变垫块的位置，重复第2、3两步。(2)在实验步骤第3步中，小滑块通过光电门2的速度为________；去掉小沙桶，把小滑块紧挨小滑轮由静止释放后，小滑块所受到的合外力为________。(用题中所给的字母表示)。(3)设小滑块(包括遮光条)质量为M，小滑块释放点到光电门2距离为x，若关系式m＝________成立，可得质量一定时，加速度与合外力成正比。[创新点分析](1)利用光电门测滑块的速度。(2)通过调整沙桶内细沙的质量，使小滑块匀速下滑，从而得到滑块单独下滑时的合外力。(3)根据m的关系式判断加速度与合外力的关系。

创新角度(四)跨实验的交汇考查5．(2022·浙江6月选考·节选)(1)“探究小车速度随时间变化的规律”实验装置如图1所示，长木板水平放置，细绳与长木板平行。图2是打出纸带的一部分，以计数点O为位移测量起点和计时起点，则打计数点B时小车位移大小为________cm。由图3中小车运动的数据点，求得加速度为________m/s2(保留两位有效数字)。(2)利用图1装