實(shí)驗(yàn)四　驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律實(shí)驗(yàn)解讀·核心突破分類研析·拓展提升實(shí)驗(yàn)解讀·核心突破●注意事項(xiàng)1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力時(shí),不要把懸掛小盤的細(xì)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(yùn)動(dòng).2.實(shí)驗(yàn)條件:小車的質(zhì)量M遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量m.3.操作要領(lǐng):改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并應(yīng)先接通電源,再放開小車,且應(yīng)在小車到達(dá)定滑輪前按住小車.2.摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測(cè)量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差.常規(guī)實(shí)驗(yàn)類型一[例1]某實(shí)驗(yàn)小組利用圖1所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.分類研析·拓展提升(1)下列做法正確的是

(填字母代號(hào)).

A.調(diào)節(jié)滑輪的高度,使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長(zhǎng)木板保持平行B.在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動(dòng)摩擦力時(shí),將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上C.實(shí)驗(yàn)時(shí),先放開木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源D.通過(guò)增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí),不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度解析:(1)為保證繩的拉力方向不變,細(xì)繩要保持與長(zhǎng)木板平行,A項(xiàng)正確;平衡摩擦力是通過(guò)墊高長(zhǎng)木板左端,使得木塊沿斜面向下的分力與滑動(dòng)摩擦力平衡,B項(xiàng)錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源再放開木塊,C項(xiàng)錯(cuò)誤;平衡摩擦力后,改變木塊上的砝碼的質(zhì)量時(shí),不需要重新平衡摩擦力,D項(xiàng)正確.答案:(1)AD

答案:(2)遠(yuǎn)小于(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力,應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量

(選填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量.

答案:(3)小于大于(3)甲、乙兩同學(xué)在同一實(shí)驗(yàn)室,各取一套圖1的裝置放在水平桌面上,木塊上均不放砝碼,在沒(méi)有平衡摩擦力的情況下,研究加速度a與拉力F的關(guān)系,分別得到圖2中甲、乙兩條直線.設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲,m乙,甲、乙用的木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ甲,μ乙,由圖2可知,m甲

(選填“大于”“小于”或“等于”)m乙,μ甲

(選填“大于”“小于”或“等于”)μ乙.

易錯(cuò)警示(1)改變木塊質(zhì)量時(shí),不需要重新平衡摩擦力.(2)平衡摩擦力后,還需滿足砝碼桶和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于木塊和砝碼的質(zhì)量時(shí),細(xì)繩的拉力才能近似等于砝碼桶和砝碼的重力.[例2]“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖(甲)所示,已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50Hz,試回答下列問(wèn)題:(1)實(shí)驗(yàn)中在平衡小車與桌面之間摩擦力的過(guò)程中,打出了一條紙帶如圖(乙)所示,A,B,C,D,E,F,G這些點(diǎn)的間距如圖中標(biāo)示,其中每相鄰兩點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)未畫出.根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算:打C點(diǎn)時(shí)小車的速度大小為

m/s;小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小為

m/s2.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)

答案:(1)1.181.50答案:(2)未計(jì)入砝碼盤的重力解析:(2)平衡摩擦力后,F=0時(shí)就產(chǎn)生了加速度,說(shuō)明未計(jì)入砝碼盤的重力.(2)平衡好摩擦力后,將5個(gè)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(gè)砝碼添加到砝碼盤中,測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的aF圖線如圖(丙)所示,此圖線不通過(guò)原點(diǎn)的主要原因是

.

易錯(cuò)警示(1)圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一直是高考考查的熱點(diǎn),一般會(huì)要求根據(jù)數(shù)據(jù)畫出圖象,根據(jù)圖象分析誤差原因或根據(jù)圖象斜率和截距等得出相關(guān)物理量.1.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.(1)根據(jù)一條實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶,通過(guò)測(cè)量、計(jì)算,作出小車的v-t圖象如圖2,可知小車的加速度為

m/s2.

題組訓(xùn)練答案:(1)3.0(2)在研究加速度與力的關(guān)系時(shí),保持小車的

不變,測(cè)出在拉力F作用下小車的加速度a,改變拉力F,重復(fù)實(shí)驗(yàn),得到多組不同的F及相應(yīng)a的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有同學(xué)認(rèn)為:測(cè)量多組不同F(xiàn),a的數(shù)據(jù),目的是求平均值來(lái)減小實(shí)驗(yàn)誤差,該同學(xué)的看法是

(選填“正確”或“錯(cuò)誤”)的.

解析:(2)在研究加速度與力的關(guān)系時(shí),保持小車的質(zhì)量不變,測(cè)量多組不同F(xiàn),a的數(shù)據(jù)是為了作出a-F圖象,找出質(zhì)量不變時(shí),加速度隨合力變化的規(guī)律,不是為了求出平均值來(lái)減小實(shí)驗(yàn)誤差,故該同學(xué)的看法是錯(cuò)誤的.答案:(2)質(zhì)量錯(cuò)誤2.如圖所示,做“探究加速度與力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn):小車擱置在水平放置的長(zhǎng)木板上,紙帶連接車尾并穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,用來(lái)測(cè)定小車的加速度a,小桶通過(guò)細(xì)線對(duì)小車施加拉力F.在保持小車質(zhì)量不變的情況下,改變對(duì)小車?yán)的大小,測(cè)得小車所受拉力F和加速度a的數(shù)據(jù)如下表:F/N0.210.300.400.490.60a/(m·s-2)0.100.210.290.410.49(1)根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù),在下圖中作出a-F圖象.解析:(1)①a-F圖象中根據(jù)所給的數(shù)據(jù)描點(diǎn).②用一條直線連接這些點(diǎn)(連接時(shí)要讓盡可能多的點(diǎn)落在直線上,讓其他的點(diǎn)盡可能分布在直線的兩側(cè)).答案:(1)圖見解析答案:(2)0.10(2)由圖象可知,小車與長(zhǎng)木板之間的最大靜摩擦力大小為

N.

解析:(2)當(dāng)拉力大于等于最大靜摩擦力時(shí),小車開始運(yùn)動(dòng),由上問(wèn)所得a-F圖象可知,當(dāng)拉力等于0.10N時(shí),小車開始運(yùn)動(dòng),故最大靜摩擦力為0.10N.答案:(3)C(3)若要使作出的a-F圖線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn),需要調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置,可采取以下措施中的

.

A.增加小車的質(zhì)量 B.減小小車的質(zhì)量C.適當(dāng)墊高長(zhǎng)木板的右端 D.適當(dāng)增加小桶內(nèi)砝碼質(zhì)量解析:(3)若要使作出的a-F圖線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)即繩子的拉力等于小車所受的合外力,故需要平衡摩擦力,其方法是適當(dāng)墊高長(zhǎng)木板的右端,故C正確.[例3](2019·全國(guó)Ⅱ卷,22)如圖(a),某同學(xué)設(shè)計(jì)了測(cè)量鐵塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn).所用器材有:鐵架臺(tái)、長(zhǎng)木板、鐵塊、米尺、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻率50Hz的交流電源,紙帶等.回答下列問(wèn)題:(1)鐵塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)μ=

(用木板與水平面的夾角θ、重力加速度g和鐵塊下滑的加速度a表示).

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)類型二(2)某次實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)整木板與水平面的夾角使θ=30°.接通電源,開啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,釋放鐵塊,鐵塊從靜止開始沿木板滑下.多次重復(fù)后選擇點(diǎn)跡清晰的一條紙帶,如圖(b)所示.圖中的點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)(每?jī)蓚€(gè)相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出).重力加速度為9.80m/s2.可以計(jì)算出鐵塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為

(結(jié)果保留2位小數(shù)).

答案:(2)0.35[例4](2016·全國(guó)Ⅲ卷,23)某物理課外小組利用圖(甲)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系.圖中,置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的長(zhǎng)木板水平放置,其右端固定一輕滑輪;輕繩跨過(guò)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(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N=5個(gè),每個(gè)質(zhì)量均為0.010kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)將5個(gè)鉤碼全部放入小車中,在長(zhǎng)木板左下方墊上適當(dāng)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n=1,2,3,4,5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端,其余N-n個(gè)鉤碼仍留在小車內(nèi);用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車,同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對(duì)于其起始位置的位移s,繪制s-t圖象,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a.(3)對(duì)應(yīng)于不同的n的a值見下表.n=2時(shí)的s-t圖象如圖(乙)所示,由圖(乙)求出此時(shí)小車的加速度(保留2位有效數(shù)字),將結(jié)果填入下表.n12345a/(m·s-2)0.20

0.580.781.00答案:(3)0.39(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(丙)中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn),并作出a-n圖象.從圖象可以看出:當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí),物體的加速度與其所受的合外力成正比.解析:(4)在題圖(丙)中描出數(shù)據(jù)點(diǎn)(2,0.39),(3,0.58),(5,1.00)并過(guò)各數(shù)據(jù)點(diǎn)作出a-n圖象,如圖所示.答案:(4)a-n圖象見解析(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為

kg(保留2位有效數(shù)字,重力加速度取g=9.8m·s-2).

答案:(5)0.44(6)若以“保持木板水平”來(lái)代替步驟(1),下列說(shuō)法正確的是

(填入正確選項(xiàng)前的標(biāo)號(hào)).

A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線,但該直線不過(guò)原點(diǎn)C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大答案:(6)BC1.(2019·云南昆明質(zhì)檢)探究“加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖(甲)所示.小車后面固定一條紙帶,穿過(guò)電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,細(xì)線一端連著小車,另一端通過(guò)光滑的定滑輪和動(dòng)滑輪與掛在豎直面內(nèi)的拉力傳感器相連,拉力傳感器用于測(cè)小車受到拉力的大小.(1)關(guān)于平衡摩擦力,下列說(shuō)法正確的是

.

A.平衡摩擦力時(shí),需要在動(dòng)滑輪上掛上鉤碼B.改變小車質(zhì)量時(shí),需要重新平衡摩擦力C.改變小車?yán)r(shí),不需要重新平衡摩擦力題組訓(xùn)練解析:(1)平衡摩擦力只需要將木板適當(dāng)傾斜,不需要在動(dòng)滑輪上掛鉤碼;改變小車質(zhì)量或拉力,都不需要重新平衡摩擦力,選項(xiàng)A,B錯(cuò)誤,C正確.答案:(1)C(2)實(shí)驗(yàn)中

(選填“需要”或“不需要”)滿足所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量.

答案:(2)不需要解析:(2)由于在輕繩一端加了拉力傳感器,能夠直接讀出拉力數(shù)值,因此不需要滿足所掛鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量.(3)某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與力F的關(guān)系圖象如圖(乙)所示,圖線不過(guò)原點(diǎn)的原因是

.

A.鉤碼質(zhì)量沒(méi)有遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量B.平衡摩擦力時(shí)木板傾角過(guò)大C.平衡摩擦力時(shí)木板傾角過(guò)小或未平衡摩擦力答案:(3)B解析:(3)由圖(乙)可知在拉力F為零時(shí)小車有加速度,應(yīng)是平衡摩擦力時(shí)木板傾角過(guò)大造成的,選項(xiàng)B正確.2.(2019·湖北武漢聯(lián)考)如圖所示,一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板上固定有甲、乙兩個(gè)光電門,與之相連的計(jì)時(shí)器可以顯示帶有遮光片的小車在其間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,與跨過(guò)定滑輪的輕質(zhì)細(xì)繩相連的輕質(zhì)力傳感器能顯示掛鉤處所受的拉力.(1)在探究質(zhì)量一定時(shí)、加速度與合外力的關(guān)系時(shí),要使力的傳感器的示數(shù)等于小車所受合外力,必須進(jìn)行的操作是

.然后保持小車的質(zhì)量不變,多次向沙桶里加沙,測(cè)得多組a和F的值,畫出的a-F圖象是

.

解析:(1)小車與木板之間存在摩擦力,這樣就不能用繩子的拉力代替合力,所以做實(shí)驗(yàn)首先必須要平衡摩擦力.小車質(zhì)量m0一定,加速度與合外力F成正比,故C正確.答案:(1)平衡摩擦力C

(2)在探究合外力一定時(shí)、加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí),先測(cè)出小車質(zhì)量m,再讓小車從靠近光電門甲處由靜止開始運(yùn)動(dòng),讀出小車在兩光電門之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t.改變小車質(zhì)量m,測(cè)得多組m,t的值,建立坐標(biāo)系描點(diǎn)作出圖線.下列能直觀得出合外力一定時(shí),加速度與質(zhì)量成反比的圖線是

.

答案:(2)C實(shí)驗(yàn)原理

[創(chuàng)新分析](2019·全國(guó)Ⅱ卷,22)(1)以驗(yàn)證牛頓第二定律為背景測(cè)鐵塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)(2