2021屆高考物理一輪復習第三章牛頓運動定律實驗專題4第16講驗證牛頓運動定律教學案新人教版

1、第16講驗證牛頓運動定律基礎命題點課本原型實驗一、實驗目的1驗證牛頓運動定律。2學會利用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)。二、實驗器材打點計時器、紙帶、復寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板、墊木、小盤、砝碼、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺。三、實驗原理1當質量一定時，研究加速度與合外力的關系af合。2當合外力一定時，研究加速度與質量的關系a。四、實驗步驟1稱量質量：用天平測量小盤的質量m0和小車的質量m。2儀器安裝：按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(即不給小車牽引力)。3平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車在斜面上做

2、勻速直線運動。4數(shù)據(jù)測量和記錄(1)保持小車的質量不變：把小車靠近打點計時器，掛上小盤和砝碼，先接通電源，再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑，打出一條紙帶。計算小盤和砝碼的重力，即為小車所受的合力，由紙帶計算出小車的加速度，并把力和對應的加速度填入表(一)中。改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù)，并多做幾次實驗。(2)保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變：在小車上放上砝碼改變小車的質量，讓小車在木板上滑動打出紙帶。計算砝碼和小車的總質量m，由紙帶計算出小車對應的加速度，并將所對應的質量和加速度填入表(二)中。改變小車上砝碼的個數(shù)，并多做幾次實驗。 表(一)實驗次數(shù)加速度a/(ms2)小車受力f/n123表(二)實驗次數(shù)加

3、速度a/(ms2)小車和砝碼的總質量m/kg小車和砝碼的總質量的倒數(shù)/kg1123五、數(shù)據(jù)處理1先在紙帶上標明計數(shù)點，測量各計數(shù)點間的距離，根據(jù)公式a計算加速度。2保持小車和砝碼的總質量m不變，記錄各組對應的加速度a與小車所受牽引力f，然后建立直角坐標系，用縱坐標表示加速度a，用橫坐標表示作用力f，描點畫出af圖象，如果圖線是一條過原點的直線，便證明加速度與作用力成正比。3保持小車所受牽引力f不變，記錄各組對應的加速度a與小車和砝碼的總質量m，然后建立直角坐標系，用縱坐標表示加速度a，用橫坐標表示小車和砝碼的總質量的倒數(shù)，描點畫出a圖象，如果圖線是一條過原點的直線，就證明加速度與質量成反比。六

4、、誤差分析1平衡摩擦力不準造成誤差。2質量的測量、紙帶上計數(shù)點間距離的測量、細繩或紙帶不與木板平行等都會造成誤差。3實驗原理不完善引起誤差。通過適當調(diào)節(jié)，使小車所受的阻力被平衡，當小車做加速運動時，可以得到ag，fmg，只有當mm時，才可近似認為小車所受的拉力f等于mg，所以本實驗存在系統(tǒng)誤差。例1(2019黑龍江哈師大附中開學考試)在做“探究加速度與力、質量的關系”實驗時(裝置如圖)。(1)下列說法中正確的是()a平衡運動系統(tǒng)的摩擦力時，應先把裝沙的小桶通過定滑輪拴在小車上b連接沙桶和小車的輕繩應和長木板保持平行c平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動d小車應靠近打點計時器，且應先接通電源再釋放

5、小車(2)實驗中沙和桶的總質量m和車與車上砝碼的總質量m間必須滿足的條件是_。(3)某次實驗中，由于沒有滿足(2)的條件，研究在車與車上砝碼的總質量m一定時，小車的加速度a與作用力f的關系時結果得到的圖象應是如下圖中的()(4)研究在作用力f一定時，小車的加速度a與小車質量m的關系，某位同學按正確的實驗步驟得到足夠多的紙帶，其中的一條如下：實驗中打點計時器連接的電源周期為0.02 s，每兩個相鄰計數(shù)點之間都有4個點沒有畫出，則d點的對應速度為_ m/s，小車運動的加速度為_ m/s2。(結果保留三位有效數(shù)字)解析(1)平衡運動系統(tǒng)的摩擦力時，不掛沙桶，只讓小車拖著紙帶在木板上做勻速運動，a錯誤

6、；為了減小誤差，連接沙桶和小車的輕繩應和長木板保持平行，b正確；平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動，c正確；小車應靠近打點計時器，且應先接通電源再釋放小車，d正確；故選b、c、d。(2)認為沙和沙桶的重力為拉小車運動的合力，故應該滿足沙和沙桶的總質量m遠小于小車及其上砝碼的總質量m，即mm。(3)當沙和沙桶質量不斷增大后，不再滿足mm，根據(jù)此時小車的實際合力小于沙和沙桶的重力，圖線向下彎曲。故選d。(4)兩個相鄰計數(shù)點間有4個點沒有畫出，則兩個相鄰計數(shù)點間的時間間隔t0.025 s0.1 s，d點對應的速度：vd m/s1.86 m/s；根據(jù)xat2，可得小車的加速度為：a m/s26.22

7、m/s2。答案(1)bcd(2)mm(3)d(4)1.866.22實驗注意事項(1)平衡摩擦力：在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細繩系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，且要讓小車拖著紙帶勻速運動。(2)不重復平衡摩擦力：平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量，都不需要重新平衡摩擦力。(3)實驗條件：每條紙帶都必須在滿足小車的質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出。小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，后放開小車，且應在小車到達定滑輪前按住小車。(4)作圖：作圖時，兩坐標軸的比例要適當，要使盡可能多的點落在所作直線上，不在直線上的點應盡可能對稱地分布在

8、所作直線兩側。例2“探究加速度與物體質量、物體受力的關系”的實驗裝置如圖甲所示，已知打點計時器所用電源頻率為50 hz，試回答下列問題。(1)實驗中在平衡小車與木板之間摩擦力的過程中，打出了一條紙帶如圖乙所示，a、b、c、d、e、f、g這些點的間距如圖中標示，其中相鄰兩點間還有4個計時點未畫出。根據(jù)測量結果計算：打c點時小車的速度大小為_ m/s；小車運動的加速度大小為_ m/s2。(結果保留三位有效數(shù)字)(2)平衡好摩擦力后，將5個相同的砝碼都放在小車上，掛上砝碼盤，然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度。根據(jù)小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力f的實驗數(shù)據(jù)作出的af圖線如

9、圖丙所示，此圖線不通過原點的主要原因是_。(3)在某次利用上述已調(diào)整好的裝置進行實驗時，保持砝碼盤中砝碼個數(shù)不變，小車自身的質量保持不變(已知小車的質量遠大于砝碼盤和盤中砝碼的質量)，在小車上加一個砝碼，并測出此時小車的加速度a，調(diào)整小車上的砝碼，進行多次實驗，得到多組數(shù)據(jù)，以小車上砝碼的質量m為橫坐標，相應加速度的倒數(shù)為縱坐標，在坐標紙上作出如圖丁所示的m關系圖線，實驗結果驗證了牛頓第二定律。如果圖中縱軸上的截距為b，圖線的斜率為k，則小車受到的拉力大小為_，小車的質量為_。解析(1)紙帶上兩相鄰計數(shù)點的時間間隔為t0.10 s，s19.50 cm、s211.00 cm、s312.55 cm

10、、s414.00 cm、s515.50 cm、s617.05 cm，勻變速直線運動中，物體在某段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度，可知打c點時小車的速度大小為vc，代入數(shù)值得vc1.18 m/s，小車的加速度大小為a，代入數(shù)值得a1.50 m/s2。(2)平衡摩擦力后，f0時就產(chǎn)生了加速度，說明未計入砝碼盤的重力。(3)設小車的質量為m，圖丁中圖線的函數(shù)關系式滿足kmb，根據(jù)牛頓第二定律得f(mm)a，變形得m，可解得f，m。答案(1)1.181.50(2)未計入砝碼盤的重力(3)“驗證牛頓第二定律”實驗得到的理想af圖象應是一條過原點的直線，但由于實驗誤差影響，常出現(xiàn)如圖所示

11、的三種情況(說明見下表)。圖線特征產(chǎn)生原因圖線的上部彎曲當小車受力f較大時，不滿足“盤和盤中砝碼的總質量遠小于小車和車上砝碼的總質量”的條件圖線在a軸的截距大于0平衡摩擦力時長木板的傾角過大，f0(即不掛小盤)時小車就具有了加速度圖線在f軸的截距大于0平衡摩擦力時長木板的傾角過小，或未平衡摩擦力，只有當f增加到一定值時，小車才獲得加速度(2019江蘇高考模擬)利用圖甲所示裝置探究物體的加速度與所受合外力的關系，小車質量約300 g，另配置質量20 g的鉤碼5個，質量500 g的砝碼1個。(1)實驗中，平衡摩擦力的具體做法是：_(選填“掛上”或“移去”)鉤碼，長木板右端用墊塊抬高，調(diào)至適當高度，

12、接通電源，輕推小車，使紙帶上打出的點間距相等。(2)實驗通過添加鉤碼改變小車的受力。關于小車，下列說法中正確的有_。a當鉤碼質量遠小于小車總質量時，可認為小車所受合外力與鉤碼重力大小相等b開始實驗時，應將砝碼放入小車c小車內(nèi)放入砝碼后需重新平衡摩擦力d實驗中不需要測出小車的質量(3)實驗中打出一條紙帶，如圖乙所示，從某清晰點開始取計數(shù)點，分別標為0、1、2、3、4、5、6，測量點0到點3的距離為d1，點0到點6的距離為d2，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔均為t，則加速度a_。(4)實驗小組由小車受到的拉力f和對應的加速度a，作出af圖線，如圖丙中實線所示，下列對實驗圖線偏離直線的原因分析，正確的是

13、_。a測量不準確引起的，屬于偶然誤差b實驗原理方法引起的，屬于系統(tǒng)誤差c加速度大，空氣阻力作用更加明顯d滑輪與軸間有摩擦答案(1)移去(2)abd(3)(4)b解析(1)平衡摩擦力時，移去鉤碼，長木板右端用墊塊抬高，調(diào)至適當高度，接通電源，輕推小車，使紙帶上打出的點間距相等。(2)當鉤碼的質量遠小于小車的總質量時，可以認為小車所受的合力等于鉤碼的重力，故a正確；開始實驗時，應將砝碼放入小車，使得鉤碼質量遠小于小車的總質量，故b正確；小車內(nèi)放入砝碼后，不需要重新平衡摩擦力，故c錯誤；實驗研究加速度與力的關系，需保持小車的總質量不變，不需要測出小車的質量，故d正確。(3)根據(jù)逐差法得(d2d1)d

14、1a(3t)2，故加速度a。(4)af圖線中，圖線上端偏離直線的原因是不能滿足鉤碼的質量遠小于小車的總質量，該誤差屬于系統(tǒng)誤差，是由實驗原理方法引起的。能力命題點實驗改進與創(chuàng)新1實驗方案的改進(1)如圖，兩個相同小車，同時運動、同時停止，位移之比等于加速度之比。通過增減小盤中砝碼探究加速度與力的關系，通過增減小車中的砝碼探究加速度與質量的關系。(2)通過小盤中和小車中砝碼的變動，使小盤、小車和砝碼組成的系統(tǒng)總質量不變，探究加速度與力的關系。由于mgtma，tma，則a，故此方案不必保證小車總質量遠大于小盤和盤中砝碼的總質量。2實驗器材的改進(1)氣墊導軌：不用平衡摩擦力。(2)力傳感器或彈簧測

15、力計：可直接測繩的拉力，不必保證小車質量遠大于小盤和砝碼的總質量。(3)速度傳感器、位移傳感器、光電門。3實驗目的的創(chuàng)新：以牛頓第二定律為實驗原理，測量動摩擦因數(shù)、重力加速度、質量等。(2019山西省三模)如圖甲所示裝置可以探究“物體加速度與其所受外力的關系”。水平桌面上固定一帶小滑輪的長木板a，桌面上固定兩個光電門g1和g2，滑塊b上帶有寬度為d的遮光條，b通過繩子繞過滑輪與力傳感器相連，傳感器另一端固定，沙桶掛在動滑輪上。(1)本實驗裝置還需要墊高長木板左端以平衡摩擦力嗎？答：_(選填“需要”或“不需要”)；實驗時還需要保持沙桶和沙子的總質量遠小于滑塊b的質量嗎？答：_(選填“需要”或“不

16、需要”)。(2)用游標卡尺測量遮光條的寬度如圖乙所示，其讀數(shù)為_ cm。(3)正確調(diào)整實驗裝置后，開始實驗，記錄力傳感器的示數(shù)為f，光電門記錄的時間分別為t1和t2，遮光條寬度為d，兩個光電門之間的距離為l，滑塊及遮光條的總質量為m，只需要驗證f_，即驗證了牛頓第二定律。解析(1)本實驗需要繩子拉力即為合力，故需要平衡摩擦力；由傳感器可以讀出繩子的拉力，故不需要滿足沙桶和沙子的總質量遠小于滑塊b的質量。(2)由圖知主尺刻度為0.7 cm，游標尺上第15條刻度線與主尺刻度線對應的最齊，故游標尺的讀數(shù)是150.05 mm0.75 mm0.075 cm，遮光條的寬度為0.7 cm0.075 cm0.

17、775 cm。(3)設滑塊經(jīng)過兩光電門的速度分別為v1、v2，則：v1，v2根據(jù)運動學公式，得：vv2al若fma，則驗證了牛頓第二定律，聯(lián)立知，只要驗證fmd2，即可驗證牛頓第二定律。答案(1)需要不需要(2)0.775(3)md2本實驗中小車受到的拉力由彈簧秤直接測出，不需要滿足沙和沙桶的總質量遠小于小車質量，也解決了原有實驗的系統(tǒng)誤差問題，是一種非常好的方法。(2018江蘇高考) 某同學利用如圖所示的實驗裝置來測量重力加速度g。細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質滑輪，兩端各懸掛一只質量為m的重錘。實驗操作如下：用米尺量出重錘1底端距地面的高度h；在重錘1上加上質量為m的小鉤碼；左手將重錘2壓在

18、地面上，保持系統(tǒng)靜止。釋放重錘2，同時右手開啟秒表，在重錘1落地時停止計時，記錄下落時間；重復測量3次下落時間，取其平均值作為測量值t。請回答下列問題(1)步驟可以減小對下落時間t測量的_(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差。(2)實驗要求小鉤碼的質量m要比重錘的質量m小很多，主要是為了_。a使h測得更準確b使重錘1下落的時間長一些c使系統(tǒng)的總質量近似等于2md使細繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等(3)滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差。現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差，可以怎么做？_。(4)使用橡皮泥改進實驗后，重新進行實驗測量，并測出所用橡皮泥的質量為m0。用實驗中的測量量和已知量表示g，得g_。答案(1

19、)偶然(2)b(3)在重錘1上粘上橡皮泥，調(diào)整橡皮泥質量直至輕拉重錘1能觀察到其勻速下落(4)解析(1)時間測量是人為操作快慢和讀數(shù)問題帶來的誤差，所以屬于偶然誤差。(2)由于自由落體運動的加速度較大，下落h高度的時間較短，為了減小測量時間的實驗誤差，就要使重錘下落的時間長一些，因此系統(tǒng)下降的加速度要小，所以小鉤碼的質量要比重錘的質量小很多。(3)為了消除滑輪的摩擦阻力，可用橡皮泥粘在重錘1上，輕拉重錘放手后若系統(tǒng)做勻速運動，則表示平衡了阻力。(4)根據(jù)牛頓第二定律有mg(mm0mm)a，又hat2，解得g。課時作業(yè)1(2019全國卷)如圖a，某同學設計了測量鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)的實驗。所用

20、器材有：鐵架臺、長木板、鐵塊、米尺、電磁打點計時器、頻率50 hz的交流電源、紙帶等。回答下列問題：(1)鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)_(用木板與水平面的夾角、重力加速度g和鐵塊下滑的加速度a表示)。(2)某次實驗時，調(diào)整木板與水平面的夾角使30。接通電源，開啟打點計時器，釋放鐵塊，鐵塊從靜止開始沿木板滑下。多次重復后選擇點跡清晰的一條紙帶，如圖b所示。圖中的點為計數(shù)點(每兩個相鄰的計數(shù)點間還有4個點未畫出)。重力加速度為9.80 m/s2，可以計算出鐵塊與木板間的動摩擦因數(shù)為_(結果保留2位小數(shù))。答案(1)(2)0.35解析(1)鐵塊受重力、木板彈力及摩擦力作用，受力分析如圖。由牛頓第二定律得：

21、mgsinfnma且fnmgcos聯(lián)立以上兩式解得。(2)由逐差法求鐵塊加速度：a m/s21.97 m/s2代入，得0.35。2(2016全國卷)某物理課外小組利用圖a中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關系。圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪，輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實驗中可用的鉤碼共有n5個，每個質量均為0.010 kg。實驗步驟如下：(1)將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑。(2)將n(依次取n1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端，其余nn個鉤碼仍留在小車

22、內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制st圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應的加速度a。(3)對應于不同的n的a值見下表。n2時的st圖象如圖b所示；由圖b求出此時小車的加速度(保留兩位有效數(shù)字)，將結果填入下表。n12345a/(ms2)0.20_0.580.781.00(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖c中補齊數(shù)據(jù)點，并作出an圖象。從圖象可以看出：當物體質量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比。(5)利用an圖象求得小車(空載)的質量為_ kg(保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取g9.8 m/s2)。(6)若以“保持木板水平”來代替步驟

23、(1)，下列說法正確的是_(填入正確選項前的標號)。aan圖線不再是直線ban圖線仍是直線，但該直線不過原點can圖線仍是直線，但該直線的斜率變大答案(3)0.40(0.380.42均可)(4)如圖所示(5)0.45(0.430.47均可)(6)bc解析(3)因為小車做初速度為零的勻加速直線運動，故在圖b中任選一組數(shù)據(jù)代入公式sat2，可得a0.40 m/s2。(4)將n2,3,5時的點描到圖c中，再連線。(5)當掛n個鉤碼時，由牛頓第二定律方程可得nmg(5mm)a，故有an，則an圖象斜率k，可得m0.45 kg。(6)如果不平衡摩擦力，則有nmg(5n)mmg(5mm)a，得ang，說明

24、圖線仍為直線，但不再過原點，并且斜率增大，b、c正確。3(2019河北衡水中學高三二調(diào))如圖甲(側視圖只畫了一個小車)所示的實驗裝置可以驗證“牛頓第二定律”，兩個相同的小車放在光滑水平桌面上，右端各系一條細繩，跨過定滑輪各掛一個小盤，增減盤中的砝碼可改變小車受到的合外力，增減車上的砝碼可改變小車的質量。兩車左端各系一條細線，用一個黑板擦把兩細線同時按在固定、粗糙的水平墊片上，使小車靜止(如圖乙)。拾起黑板擦兩車同時運動，在兩車尚未碰到滑輪前，迅速按下黑板擦，兩車立刻停止，測出兩車位移的大小。(1)該實驗中，盤和盤中砝碼的總質量應_小車的總質量(填“遠大于”“遠小于”或“等于”)。(2)圖丙為某

25、同學在驗證“合外力不變，加速度與質量成反比”時的實驗記錄，已測得小車1的總質量m1100 g，小車2的總質量m2200 g。由圖可讀出小車1的位移x15.00 cm，小車2的位移x2_ cm，可以算出_(結果保留三位有效數(shù)字)；在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，_(填“大于”“小于”或“等于”)。答案(1)遠小于(2)2.45(2.422.48均可)2.04(2.022.06均可)等于解析(1)實驗中以小盤和盤中砝碼的總重力為小車受到的合力，故盤和盤中砝碼的總質量應遠小于小車的總質量。(2)由圖可知，小車2的位移為2.45 cm，由勻加速直線運動的位移公式可知，xat2，故a，由于時間相等，所以2.04

26、，所以在實驗誤差允許的范圍內(nèi)。4(2019安徽高考模擬)某課外小組利用圖甲裝置探究物體的加速度與所受合力之間的關系，請完善如下主要實驗步驟。(1)用游標卡尺測量遮光條的寬度d如圖乙所示，d_ cm；(2)安裝好光電門，從圖甲中讀出兩光電門之間的距離s_ cm；(3)接通氣源，調(diào)節(jié)氣墊導軌，根據(jù)滑塊通過兩光電門的時間_(選填“相等”或“不相等”)可判斷出導軌已調(diào)成水平；(4)安裝好其他器材，并調(diào)整定滑輪，使細繩水平；(5)讓滑塊從光電門1的左側由靜止釋放，用數(shù)字毫秒計測出遮光條經(jīng)過光電門1和2的時間分別為t1和t2，計算出滑塊的加速度a1_(用d、s、t1和t2表示)，并記錄對應的拉力傳感器的讀

27、數(shù)f1；(6)改變重物質量，多次重復步驟(5)，分別計算出加速度a2、a3、a4，并記錄對應的f2、f3、f4；(7)在af坐標系中描點，得到一條通過坐標原點的傾斜直線，由此得出_。答案(1)0.550(2)50.00(3)相等(5) (7)物體質量一定時，其加速度與所受合力成正比解析(1)由圖乙可知，該游標卡尺為20分度，精確度為0.05 mm，讀數(shù)為5 mm0.05 mm105.50 mm0.550 cm。(2)s70.30 cm20.30 cm50.00 cm。(3)在調(diào)節(jié)氣墊導軌水平時，滑塊不掛重物，判斷氣墊導軌水平的依據(jù)是：接通氣源后，反復調(diào)節(jié)旋鈕，使滑塊靜止于導軌的任何位置或接通氣源后，給滑塊一個初速度，反復調(diào)節(jié)旋鈕，使滑塊通過兩光電門的時間相等。(5)