2022届新高考物理冲刺精准复习验证牛顿运动定律

2022届新高考物理冲刺精准复习

验证牛顿运动定律

学习目标

1.理解实验的原理，明确实验过程并能进行数据处理.

2.了解实验的注意事项，会对实验进行误差分析.

3.能对实验进行创新改进.

一、课前检测

1.（2020山东潍坊期中）如图甲所示，托盘连接细线通过定滑轮牵引小车，使小车在长木

板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成“探究牛顿第二

定律”的实验。

甲

（1）图乙为某次实验打出的一条纸带，电源频率为50Hz,纸带上每相邻的两计数点间都

有四个计时点未画出，按时间顺序取。、A、B、C、。五个计数点，用刻度尺量出A、B、C、

。点到O点的距离，则小车的加速度。=—m/s2«（结果保留两位有效数字）

单位:cm1,

9.55

14.56

乙

（2）某同学平衡摩擦力后，在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变祛码质量，且

满足小车质量远大于托盘和祛码的总质量，作出小车加速度«与祛码重力F的图象如图丙

所示。重力加速度g=10m/s2,则小车的质量为kg,托盘的质量为kg。

00.10.20.30.40.5F/N

二、知识梳理

1.实验原理

用控制变量法探究加速度a与力尸、质量M的关系，可以先保持产不变，研究。和m

的关系，再保持M不变，研究”和厂的关系。

2.实验器材

带定滑轮的长木板、低压交流电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、

天平、祛码、刻度尺、导线。

小车打点计时器

厂uu带

小盘

3.操作记录

(1)把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，小盘里放祛码，先接通电源再放开小车，

取纸带，编号码。

(2)保持小车的质量M不变，改变小盘中祛码的重力，重复步骤(1)。由纸带计算出小车

的加速度，并把力和对应的加速度填入表(一)中。

(3)保持小盘和祛码质量，”不变，改变小车和祛码的总质量也，重复以上步骤。并将所

对应的质量和加速度填入表(二)中。

表(一)

实验次数加速度a/(m・s-2)小车受力F/N

1

2

3

4

表(二)

实验次数加速度tz/(m-s-2)小车和小车上祛

码的总质量M/kg

1

2

3

五、数据处理

1.计算加速度：先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各

条纸带对应的加速度。

2.作图像找关系：根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力尸，建立直角坐

标系，描点画a-F图像。如果图像是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与作用力成正

比。再根据记录的各组对应的加速度a与小车和小车上祛码总质量M,建立直角坐标系，

描点画公.图像，如果图像是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。

三、考点精讲

考点一实验原理与操作

本实验的难点是测量小车的合力，实验通过两个“替代”关系测量小车的合力，使小车

合力的测量转化为对悬挂物重力的测量。

1.平衡摩擦力——用小车所受的拉力替代合力

小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合

力为零，则小车所受的拉力等于小车的合力。

2.小车质量(M)远大于悬挂物质量(,”)——用悬挂物重力替代小车所受的拉力

由牛顿第二定律：系统加速度瑞涓，小车所受的拉力尸=减=/吟署=一匕

i+M

mg,显然，当时，F~mg«

例1.(2019.广东实验中学模拟)某实验小组利用如图所示的装置“探究加速度与力、质量

的关系

(1)实验中除了需要小车、祛码、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、。

(2)下列做法正确的是。

A.调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行

B.在调节木板倾斜角度平衡小车受到的滑动摩擦力时，将装有祛码的托盘通过定滑轮

拴在小车上

C.实验时，先放开小车再接通打点计时器的电源

D.通过增减小车上的祛码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度

E.用托盘和盘内祛码的重力作为小车和车上祛码受到的合外力，为减小误差，实验中

一定要保证托盘和祛码的总质量远小于小车和车上祛码的总质量

(3)某同学以小车和车上祛码的总质量的倒数常为横坐标，小车的加速度”为纵坐标，在

坐标纸上作出的。一卷关系图线如图2所示。由图可分析得出：加速度与质量成

关系(填“正比”或“反比”)：图线不过原点说明实验有误差，引起这一误差的主要原因是平衡

摩擦力时长木板的倾角(填“过大”或"过小”)。

注意事项

(1)开始实验前首先平衡摩擦阻力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，使小车的重力沿

斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力.在平衡摩擦阻力时，不要把悬挂槽码的细

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.

(2)实验过程中不用重复平衡摩擦力.

(3)实验必须保证的条件：胆》

(4)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靠近打点计时器，

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.

跟踪1.某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。

接电源纸带木块带滑轮的长木板

打点计餐事二

绳

源桶

(1)下列做法正确的是(选填字母代号)。

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，将装有祛码的祛码桶通过定滑轮

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.通过增减木块上的祛码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度

(2)为使祛码桶及桶内祛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

的条件是祛码桶及桶内祛码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“近似等于")木块和

木块上祛码的总质量。

(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图1所示的装置放在水平桌面上，木块上均

不放祛码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度。与拉力F的关系，分别得到图中甲、

乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为根甲、根乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦

因数分别为〃甲、〃乙，由图可知，加甲_______m乙，〃甲_________从乙。(均选填"大于小于"

或“等于”)

本实验的偶然误差主要由质量的测量、计数点间距测量引起，可通过多次测量取平均

值减小误差。本实验的系统误差主要由两个因素产生，分析如下：

(1)平衡摩擦力不准造成的误差

图线“I不通过原点，分两种情况：

①当平衡摩擦力不够时，户邦，a=0.

②当平衡摩擦力过度时，F=0,

(2)由于不满足M»m引起的误差

图线如f和d都向下弯曲，分析：

①在小尸图象中，根据『茄匕,咫，用一定，当满足时，图线斜率视为弥变，

图线为直线。不满足M>>“时，随着，〃增大，图线斜率减小，图线向下弯曲。

②在舄图象中，根据。=寻产=」笠焉，机一定，当满足M»机时，图线斜率

1+M

视为机g不变，图线为直线。不满足时，随着M减小，图线斜率减小，图线向下弯

曲。

例2.某组同学设计了“探究加速度。与物体所受合力尸及质量〃?的关系”实验。图甲为

实验装置简图，A为小车，8为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，。为一端带有定滑轮

的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加

速度«可用纸带上打出的点求得。

(1)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。根据纸带可求出电

火花计时器打B点时的速度为m/s,小车的加速度大小为m/s2o(结果均

保留两位有效数字)

(2)在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系

中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。

(3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F

的图线如图丁，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：。

误差分析

1.偶然误差

(1)摩擦力平衡不准确，故在平衡摩擦力时，不给小车牵引力，使打点计时器打出的纸

带点迹间隔均匀。

(2)质量测量以及计数点间距测量不准确，故要采取多次测量取平均值。

(3)作图不准确，故在描点作图时，要用坐标纸，使尽量多的点落在直线上，不在直线

上的点均匀分布两侧，舍去偶然误差较大的点。

2.系统误差：因实验原理不完善引起的误差。本实验用小盘和祛码的总重力mg代替

对小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和祛码的总重力。故要满足小盘和祛

码的总质量远小于小车的质量。

跟踪2.(2020山东模拟)某同学利用如图甲所示的装置探究加速度与物体受力、物体质量

的关系.实验时，把数据记录在表格中，数据是按加速度大小排列的，第8组数据中小车质

量和加速度数据漏记.

30.290.610.48

40.190.360.53

50.240.360.67

60.290.410.71

70.290.360.81

80.29

90.340.360.94

(1)该同学又找到了第8组数据对应的纸带以及小车质量，纸带如图乙所示.已知打点计

时器所用交流电的频率为50Hz,纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出来的点未画

出.请你帮助该同学求出第8组中的加速度m/s2；

(2)如果要研究加速度与物体受力的关系，需取表格中组数据(填组号)，作

a一尸图象；如果要研究加速度与物体质量的关系，需取表格中组数据(填组号),

作a-m图象.这种研究方法叫作法；

(3)作出的a-m图象如图丙所示，由图象(填“可以'域"不可以”)判断。与，"成

反比.

考点三拓展创新实验

电磁打点计时器

实验目的齐

纸带

和原理的

创新(1)将实验装置的平面改为斜一

(2)将探究加速度与物体受力物体质量的关系改为测定动摩擦因数

位移传感器(发射器)

1IIt1位移传感器

小牛(接收器)

£N轨道ILV

白钩码

利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度

实验器材光电门F遮光..块气垫导轨

为1“j/k

的创新力传感器7・_g\_v

刻'度尺连年系

钩码号IUu

(1)用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度

(2)利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦阻力

(3)用力传感器测滑块的拉力，无需满足,

遮光条光,J光，1

物块也金细线,

U重物

实验过程

⑴结合光电门得出物块在A、8两点的速度，由跖2—v/=2ax得出

的创新

位移，算出物块的加速度

(2)结合牛顿第二定律ing-f/Mg=(M+in)a得出物块与水平桌面间的

动摩擦因数

例3.甲、乙两同学均设计了测量动摩擦因数的实验。已知重力加速度为g。

(1)甲同学设计的实验装置如图甲所示，其中4为置于水平面上的质量为M的长直木板,

B为木板上放置的质量为加的物块，C为物块右端连接的一轻质弹簧测力计，连接弹簧的细

绳水平。实验时用力拉动A,当C的示数稳定后(2仍在A上)，读出其示数F,则该设计能

测出__________(填“A与B”或“A与地面”)之间的动摩擦因数，且"=。

(2)乙同学的设计如图乙所示•他在一端带有定滑轮的长木板上固定4、8两个光电门，

与光电门相连的计时器可以显示带有遮光片的物块在其间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质

细绳相连的轻质测力计能显示挂钩处所受的拉力，长木板固定在水平面上，物块与滑轮间的

细绳水平。实验时，多次改变砂桶中砂的质量，每次都让物块从靠近光电门4处由静止开

始运动，读出多组测力计示数F及对应的物块在两光电门之间的运动时间f;在坐标系中作

出的F—5图线如图丙所示，图线的斜率为与纵轴的截距为从因乙同学不能测出物块质

量，故该同学还应该测出的物理量为(填所测物理量及其符

号）。根据所测物理量及图线信息，可知物块与木板之间的动摩擦因数表达式为〃=

跟踪3.（2020山西吕梁市期末）为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如

图所示的实验装置，细线与弹簧测力计挂钩相连.其中M为带滑轮的小车的质量，放在一

端带滑轮的长木板上，〃，为砂和砂桶的质量.（滑轮质量不计）

彳弹簧测力计M

/-ft/------------------------------扪点计时器

______________Lh

7UU

（1）实验时，不需要进行的操作是.（填选项前的字母）

A.用天平测出砂和砂桶的质量

B.将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力

C.小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测

力计的示数

D.改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带

E.为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量加远小于小车的质量用

（2）该同学在实验中得到如图所示的一条纸带（两计数点间还有两个点没有画出），已知打

点计时器采用的是频率为50Hz的交流电,根据纸带可求出小车的加速度为01*（结

果保留三位有效数字）.

单位：cm,

（y1.91,]2.30+2.79+3.30+3.8]_\

\0123456（

（3）以弹簧测力计的示数尸为横坐标，加速度为纵坐标，画出的a-F图象是一条直线,

图线与横坐标轴的夹角为仇求得图线的斜率为总则小车的质量为.

四、课堂检测

1.为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，甲、乙同学设计了如图5所示的实验装

置，其中M为小车的质量，山为砂和砂桶的总质量，恤为滑轮的质量。力传感器可测出轻

绳中的拉力大小。

五呵.桂产1\打，落时器

（D实验时，一定要进行的操作是。

A.用天平测出砂和砂桶的总质量

B.将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力

C.小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录力传感

器的示数

D.为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的总质量机远小于小车的质量M

（2）甲同学在实验中得到如图6所示的一条纸带（两计数点间还有四个点没有画出），已知

打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为

m/s'结果保留3位有效数字）。

单位:cm

1.1()3.095.127.109.1311.09

11111寸________F_kj

0123456

（3）甲同学以力传感器的示数尸为横坐标，加速度”为纵坐标，画出的“一下图线是一条

直线，如图7所示,图线与横坐标的夹角为9,求得图线的斜率为k,则小车的质量

图7图8

A,tan0B•百前f。

C.2一恤

（4）乙同学根据测量数据作出如图8所示的a-F图线，该同学做实验时存在的问题是

2.（2019•全国卷II）如图，某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验.所用器

材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50Hz的交流电源、纸带等.回

答下列问题：

电磁打点计时器

（1）铁块与木板间动摩擦因数“=（用木板与水平面的夹角。、重力加速度g和铁块

下滑的加速度。表示）.

（2）某次实验时，调整木板与水平面的夹角使0=30。.接通电源，开启打点计时器，释放

铁块，铁块从静止开始沿木板滑下.多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图所示.图中

的点为计数点（每两个相邻的计数点间还有4个点未画出）.重力加速度为9.80.可以计算

出铁块与木板间的动摩擦因数为（结果保留2位小数）.

1/--1-11----111111--------

工11.96—单位cm

«——20.90—«

L_________Q1QQ___________fc1

L________________AA7八

_______________________rn.1e7l，________________________

-------------------76.39-----------

五、课堂总结

(1)探究加速度与力、质量的关系

T实验目的卜

:(2)掌握利用图象处理数据的方法

(1)控制变量法

■(实验原理］-

①保持质盘不变，探究加速度跟合外力的关系

②保持合外力不变，探究加速度与质量的关系

(2)求加速度

x4+x5+x6-xI-«2-X3TAx

运用：a=或a二产

9T2

细绳纸带

7

打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端

有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、

小盘T实验器材)-

低压交流电源、导线、天平、刻度尺、祛

以产长融木板1的实小验车台打点计时器

〔码、薄木块

祛码J

⑴称量：用天平称量小盘的质量m和小车的质量M

(2)安袋:按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘

的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)

(3)平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，

使小车匀速下滑

•［实验步骤)-

(4)操作:①小盘通过细绳绕过滑轮系在小车上，先接通电源后放开

小车，取下纸带编号码

②保持小车的质量M不变，改变缺码和小盘的质量m

③保持法码和小盘的质量m不变，改变小车质量M

④重复进行多次实验

(1)利用AAQN及逐差法求。

(2)以Q为纵坐标，尸为横坐标，根据各组数据描点，如果这些

(数据处理)一

点在一条过原点的直线上，说明。与尸成正比

(3)以。为纵坐标,十为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点

的直线，就能判定。与M成反比

参考答案

1.答案0.920.560.0056

解析本题考查探究加速度与合力、质量关系实验的注意事项、数据处理和对“一尸图

象的理解。

(1)打点计时器的打点周期7=/=0.02s,相邻两计数点间有4个计时点未画出，则相邻

两计数点间的时间间隔t=5x0.02s=0.1s,小车的加速度a="不"=

0.1456m-2xQ.Q544m

=0.92m/s2o

2x0.1s2

(2)因为小车质量远大于托盘和祛码的总质量，所以小车所受合力等于托盘和祛码的重

力,设托盘的质量为硒，小车的质量为M,由牛顿第二定律得由以上两式

解得鬻，则需表示斜率，鬻表示截距，由题图丙知焉岑翳=。/，解得”

0.56kg,/no=0.0056kg。

1.答案⑴天平刻度尺(2)ADE(3)反比过大

解析(1)实验中需要用托盘和祛码的总重力表示小车受到的拉力，需测量托盘的质量,

所以还需要天平。实验中需要用刻度尺测量纸带上点迹间的距离，从而得出加速度，所以还

需要刻度尺。

(2)平衡摩擦力时应系上纸带，不能挂托盘；调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长

木板保持平行，A项正确，B项错误；平衡摩擦力后细绳与木板平行，且托盘和祛码的总质

量远小于小车和车上祛码的总质量时，托盘和祛码的总重力近似等于小车和车上祛码受到的

合外力，E项正确；实验时应该先接通电源，后释放小车，使得纸带上点迹多一些，以便于

测量加速度，还要多测几组数据减小偶然误差，C项错误；通过增减小车上的祛码改变质量

时，不需要重新调节木板的倾斜角度，D项正确。

(3)a—古图象是一条直线，a与M成反比；图象在a轴上有截距，这是平衡摩擦力时木

板的倾角过大造成的。

跟踪1.答案(1)AD(2)远小于(3)小于大于

解析(1)实验中细绳要保持与长木板平行，A项正确；平衡摩擦力时不能将装有祛码的

祛码桶通过定滑轮拴在木块上，这样无法平衡摩擦力，B项错误；实验时应先接通电源再放

开木块，C项错误；平衡摩擦力后，改变木块上的祛码的质量后不再需要重新平衡摩擦力，

D项正确。

1

(2)由整体法和隔离法得到细绳中的拉力F=Ma=M„=可见当祛码桶和

1+M

桶内祛码的总质量m远小于木块和木块上磋码的总质量M时，可得Fxmg。

(3)不平衡摩擦力，则F—R"g=ma,a=*一限,图像的斜率大的木块的质量小，纵轴

截距绝对值大的动摩擦因数大，因此根甲〃甲>〃乙。

例2.答案(1)1.63.2(2)见解析

(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够

解析：(1)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度，即8点的瞬

时速度，故

AB+BC6.19+6.70x10-2

VB-=4x002m/s=1.6m/s<>

CD+DE-AB+BC

由逐差法求解小车的加速度，a4x2产

7.21+7.72-6.19-6.70x10-2

m/s2=3.2m/s2o

4X2X0.02?

(2)将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点

应大致对称地分布在直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所

示

01.02.03.04.0

(3)图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。

跟踪2.答案(1)0.90(0.89~0.92)(2)2、4、5、7、91、3、6、7、8控制变量(3)

不可以

解析(1)每两个相邻点之间还有4个打出来的点未画出，故相邻点之间的时间间隔为:

7=0.02x5s=0.1s

根据逐差法可得a4一为2=2“|7\X23—X01=2a2/

X34+X23-Q12+X01)X24—X02xp4—X02—X0210.10—3.25—3.25

故加速度为aX102

4T24升4x0.12

m/s2=0.90m/s2.

(2)研究加速度与物体受力的关系，需要保证物体质量不变，选取2、4、5、7、9组数据.

研究加速度与物体质量的关系时，需要控制力尸不变，选取1、3、6、7、8组数据.

涉及多个变量时，需要控制其他变量恒定，改变其中一个变量，这种方法为控制变量法.

(3)分析题图丙可知，“一根图线为曲线，并不能说明“与机成反比，故应作。一《图象，

研究。与5成正比关系，即。与，"成反比.

F

例3.答案⑴A与B—

(2)光电门A、B之间的距离x瞥

1c2x

解析(2)F—〃加g=ma,x=]aF,得/一〃加8二加/,结合图象