物理一轮复习精练精析《金学案》（粤教）：实验：验证牛顿运动定律

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精第三单元实验与探究第4课实验:验证牛顿运动定律1。用下图所示的装置做“验证牛顿第二定律”的实验．（1)小车的加速度a同时跟沙桶提供的拉力F和小车的质量m两个因素有关．研究这三个物理量之间的定量关系的基本思路是_______________________________________。(2）完成下列部分实验步骤的有关内容．①按图示的装置安装器材．②将电火花计时器接到______(填“直流"或“交流”)电上．③为了消除长木板对小车摩擦力的影响，用薄片把长木板____________的一端适当垫高，给小车一定速度，在没有连接____________的情况下小车做__________运动．④用天平测定沙桶的质量和小车的质量．⑤挂上沙桶，先________，再________，小车在细线牵引下拉动纸带，打点计时器在纸带上打下许多点．⑥切断电，取下纸带，定好点，计算加速度．……解析:(1）本实验是利用控制变量法实现目的的；其基本思路是：控制小车的质量m不变，改变沙桶的质量（可通过加入细沙)改变沙桶提供的拉力F，研究小车的加速度a与力F的定量关系；或控制沙桶提供的拉力F不变，改变小车的质量m（可通过加入砝码),研究小车的加速度a与质量m的关系．（2）②交流．③这里涉及等效法,即平衡摩擦力．具体做法为：用薄片把长木板靠近打点计时器的一端适当垫高,给小车一定速度,在没有连接沙桶的情况下小车做匀速直线运动．⑤这是实验操作规范要求:先接通电，后释放纸带．答案:见解析2．(2012·深圳模拟）在探究物体的加速度a与物体所受外力F、物体质量M间的关系时，采用如下图所示的实验装置．小车及车中的砝码质量用M表示,盘及盘中的砝码质量用m表示．（1）当M与m的大小关系满足________时，才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力．（2)某一组同学先保持盘及盘中的砝码质量m一定做实验，其具体操作步骤如下，下列做法正确的是________．A．平衡摩擦力时，应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上B．每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力C．实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电D．用天平测出m以及小车质量M，小车运动的加速度可直接用公式a＝eq\f（mg,M)求出（3)另两组同学保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度a与所受外力F的关系，由于他们操作不当，这两组同学得到的aF关系图象如下图所示,其原因是__________________．解析：（1)实验中的实际加速度为a＝eq\f(mg，M＋m)，实验时把mg当成对M的拉力，即忽略m对加速度的影响,使加速度约为a＝eq\f(mg,M），显然需m≪M。(2)平衡摩擦力的实质是，让重力的下滑分力与摩擦力平衡，即:Mgsinθ＝μMgcosθ①，只需将纸带挂上,不需施加其他外力,A项错误;由①式可知B项正确；每次实验时应先接通打点计时器的电，再放开小车，C项错误；小车的加速度应由小车后面拖动的纸带上打出的点计算出,D项错误．（3）从题图可以看到，有了一定的拉力而加速度为零，显然没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够．答案：（1)m≪M（2)B（3)没有平衡摩擦力或木板的倾角过小3．若测得某一物体质量M一定时，a与F有关数据资料如下表所示.a/(m·s－2)1.984。065。958。12F/N1.002。003。004。00(1)根据表中数据，在下图坐标系中画出aF图象．（2）根据图象判定：当M一定时，a与F的关系为________．解析：本题主要考查“验证牛顿运动定律”实验的数据处理方法及结果分析．若a与F成正比，则图象是一条过原点的直线．同时，因实验中不可避免地出现误差，则在误差允许范围内图象是一条过原点的直线即可．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分布在直线两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予以考虑,如图所示．答案：(1)见解析（2）正比关系4．(2013·佛山模拟）实验小组利用拉力传感器验证牛顿第二定律，实验装置如下图所示．他们将拉力传感器固定在小车上,用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到的拉力F的大小；小车后面固定一打点计时器,通过拴在小车上的纸带，可测量小车匀加速运动的速度与加速度．（1)若交流电的频率为50Hz，则根据下图所打纸带的打点记录，小车此次运动经B点时的速度vB＝__________m/s，小车的加速度a＝__________m/s2。(2)要验证牛顿第二定律，除了前面提及的器材及已测出的物理量外，实验中还要使用________测出________．（3)（双选）由于小车所受阻力f的大小难以测量，为了尽量减小实验的误差,需尽可能降低小车所受阻力f的影响，下列采取的措施中必要的是________．A．适当垫高长木板无滑轮的一端,使未挂钩码的小车被轻推后恰能拖着纸带匀速下滑B．应使钩码总质量m远小于小车（加上传感器)的总质量MC．定滑轮的轮轴要尽量光滑D．适当增大钩码的总质量m解析：(1）B点为AC的中间时刻，由匀变速运动的规律可得vB＝eq\o(v,\s\up6(－）)AC＝eq\f(sAC,2T),其中T＝0。02×5＝0。1s,代入可求得vB＝0.40m/s；加速度a＝eq\f（sBC－sAB,T2）＝1.46m/s2.（2)验证牛顿第二运动定律就是要验证F＝ma，可见除测出牵引力和加速度外，还需要用天平测出小车的质量．（3)为减小小车所受的摩擦，可以适当垫高长木板无滑轮的一端，使未挂钩码的小车被轻推后恰能拖着纸带匀速下滑；本实验拉力传感器已经测出小车所受的拉力，故没有必要保证使钩码总质量m远小于小车（加上传感器)的总质量M以及保证滑轮轮轴尽量光滑；但是为保证打点计时器打点清晰，便于测量与计算，需要适当增大钩码的总质量m，故A、D选项正确．答案：（1）0。401.46(2)天平小车总质量（或小车质量）（3)AD5．（2012·揭阳模拟）如图甲所示为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置．(1)在该实验中必须采用控制变量法,应保持________不变，用钩码所受的重力作为小车所受外力,用DIS测小车的加速度．(2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量．在某次实验中根据测得的多组数据可画出aF关系图象（如图乙所示）．分析此图象的OA段可得出的实验结论是____________．（3）此图象的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是(）A．小车与轨道之间存在摩擦B．导轨保持了水平状态C．所挂钩码的总质量太大D．所用小车的质量太大解析：（1)由牛顿第二定律可知，加速度与力、质量有关，要想研究加速度与力的关系，就必须保持质量不变;(2)乙图中图线OA段反映了加速度随力变化的关系；（3）因为本实验用钩码所受的重力作为小车所受的外力，是在“钩码质量远小于小车质量”的情况下，因此AB段明显偏离直线，表明上述条件不再成立．所以C项正确．答案:（1）小车的总质量（或：小车的质量)（2)在质量不变的条件下，加速度与合外力成正比(3)C6．某同学在做“验证牛顿第二定律”的实验中．(1）一组同学不改变拉力（即沙桶和沙的质量），只改变小车的质量(即通过加入砝码)，得到了如下表所示的几组数据，其中第3组数据还未算出加速度,但对应组已打出了纸带，如图甲所示，图中各点为每5个打印点选出的计数点(两计数点间还有4个打印点未标出)．①请由纸带上的数据，计算出缺少的加速度值并填入表中．（小数点后保留2位小数)实验次数123456小车质量/g2003004005006001000小车加速度/（m·s－2)2。001。330。790.670。40小车质量倒数/（kg－1）5.003.332.502.001.671。00②请在图乙中建立合适的坐标，将表中各组数据用小黑点(或小叉）描述在坐标纸上，并作出平滑的图线．③由图象得出的结论是：________________