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1、实验四：验证牛顿运动定律,一、基本原理与操作,二、注意事项,1.实验方法：控制变量法.,2.平衡摩擦力：不悬挂小盘，但小车连着纸带.3.不重复：不重复平衡摩擦力.,4.实验条件：Mm，小盘和砝码的总重力才可视为小车受,到的拉力.,5.一先一后一按住：先接通电源，后放小车，且在小车到,达滑轮前按住小车.,6.作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际,单位.,三、误差分析,1.因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力.,2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起
2、误差.,【基础自测】,下面是“探究加速度与力、质量的关系”实验步骤：用天平测出小车质量M和小盘质量m安装好打点计时器，在小车上装好纸带调整长木板的倾斜程度,在小盘中加入适量的砝码m1,保持小车质量一定时，探究加速度与力的关系,保持小车所受拉力一定时，探究加速度与质量的关系(1)步骤的目的是_.,(2)步骤中，要求小盘和砝码总质量(mm1)_(填“远大于”“远小于”或“等于”)小车质量M.(3)步骤和，表明该实验采用的科学方法是_.解析：(1)步骤是为了平衡掉小车与木板、纸带与打点计时器间的摩擦力，使小车所受的合力等于小盘和砝码的重力.(2)步骤中，要求小盘和砝码总质量(mm1)远小于小车的质量
3、M.(3)该实验采用的是控制变量法.,答案：(1)平衡摩擦力,(2)远小于(3)控制变量法,考点1,对实验原理与实验步骤的考查,【典题1】(2017年山东泰安第二轮质检)在“验证牛顿第二定律”的实验中，采用如图S4-1所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，沙和沙桶的质量用m表示，小车的加速度可由小车后面拖动的纸带计算出.图S4-1,(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行.接下,来还需要进行的一项操作是(,),A.将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电.改变沙桶中沙的多少，使小车在沙和沙桶的
4、牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B.将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去沙和沙桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动C.将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及沙和沙桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动,(2)实验中要进行质量m和M的选取，以下最合理的一组,是(,)A.M200g，m10g、15g、20g、25g、30g、35g、40gB.M200g，m20g、40g、60g、80g、100g、120gC.M400g，m10g、15g、20g、25g、30g、35g、40gD.M400g，m20g、40g、60g
5、、80g、100g、120g,(3)已知打点计时器使用的交变电流频率为50Hz，每相邻两个计数点间还有4个点未画出，利用图S4-2给出的数据可求出小车运动的加速度a_m/s2.(计算结果保留三位有效数字),图S4-2,解析：(1)为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，需要平衡摩擦力，其方法是：将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去沙和沙桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动，B正确.,(2)为了使沙和沙桶的重力等于小车所受的拉力，应满足,mM，C正确.,答案：(1)B(2)C(3)1.58,考点2,对数据处理和误差分析的考查,【
6、典题2】在用图S4-3所示装置做“验证牛顿第二定律”的实验中：(1)甲同学在外力F一定的条件下，探究a与M的关系时，所得到的实验结果如下表所示：外力F0.1N,图S4-3,图S4-4,请你完善表中数据，并在图S4-4中给出的坐标纸上画出由图象可得到的结论是_.,(2)乙同学在探究“加速度与外力关系”的实验中得到的a-F图象如图S4-5所示，则该图象中图线不过原点的原因是_，小车的质量为_kg.(计算结果保留两位有效数字),图S4-5,答案：(1)5.00,如图D20所示.,图D20在外力一定的情况下，物体的加速度与质量成反比,0.28(0.260.29均,(2)木板倾角过大(或平衡摩擦力过度)
7、正确),【迁移拓展】某同学利用如图S4-6甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图乙所示.实验中小车(含发射器)的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：,甲,乙,图S4-6,(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成,_(填“线性”或“非线性”)关系.,(2)由图乙可知，a-m图线不经过原点，可能的原因是,_.,(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进
8、措施是_，钩码的质量应满足的条件是,_.,解析：本题考查了验证牛顿第二定律的实验.(1)根据图中描出的各点画出的图象不是一条直线，故小车的加速度和钩码的质量成非线性关系.(2)图象不过原点，小车受到拉力但没有加速度，原因是有摩擦力的影响.(3)平衡摩擦力之后，在满足钩码质量远小于小车质量的条件下，可以得出在小车质量不变的情况下拉力与加速度成正比的结论.,答案：(1)非线性,(2)存在摩擦力,(3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力,远小于小车的质量,1.实验器材的创新(1)利用光电门测滑块上的遮光条通过光电门的时间.(2)利用气垫导轨代替长木板.(3)利用力传感器或弹簧秤测绳中拉力大小.2.实验原理
9、的创新利用力传感器测出细线拉力或选取整体作为研究对象，消除了因不满足mM而带来的实验误差.3.数据处理方法的创新,考向1,利用力传感器或弹簧秤测量拉力的大小,【典题3】(2018届辽宁抚顺模拟考试)在研究加速度和力的关系时，同学们设计了如图S4-7所示实验装置，M为滑块的质量，m为沙和沙桶的总质量，轻滑轮不计摩擦，该实验已经平衡摩擦力.图S4-7,(1)实验中，一定要进行的操作是_；A.用天平测出m的大小,B.滑块靠近打点计时器(图中未画出)，先接通电源，后释放,滑块,C.改变沙和沙桶的质量，打出几条纸带D.为减小误差，要保证m远远小于M,(2)以力传感器的示数F为横坐标，通过纸带计算出的加速
10、度为纵坐标，画出的a-F图象是一条直线，求得图线的斜率为k，则滑块的质量M_.,解析：(1)本题拉力由传感器测出，不需要用天平测出m的大小，也就不需要要保证m远远小于M，A、D错误；滑块靠近打点计时器，先接通电源，后释放滑块，B正确；改变沙和沙桶质量，即改变拉力的大小，打出几条纸带，研究加速度随F变化关系，C正确.所以B、C正确，A、D错误.(2)对a-F图来说，图象的斜率表示滑块质量倒数的两倍，所以滑块质量为,【触类旁通】(2018年山东济宁模拟)某同学用如图S4-8甲所示实验装置测量滑块与桌面间的动摩擦因数.实验中滑块放在水平桌面上，在轻质动滑轮上悬挂不同的重物，使滑块从同一位置由静止加速
11、运动.滑块经过光电门时，配套的数字毫秒计,图象如图乙所示.已知滑块到光电门的距离x45cm，遮光条的宽度d3mm.(忽略绳子质量及绳子与滑轮之间的摩擦，取g10m/s2).,甲,乙,图S4-8(1)由图甲判断下列说法正确的是_A.实验中滑块的质量应远小于重物的质量B.实验中滑块的质量应远大于重物的质量C.实验中与滑块相连的轻绳与桌面一定要平行D.实验中与滑块相连的轻绳与桌面可以不平行,(2)由图乙可得滑块的质量为m_kg，滑块与桌面间的动摩擦因数为_.解析：(1)绳子拉力由弹簧秤的示数直接读出，不需要重物的重力代替，所以不需要满足重物的质量远小于滑块质量，A、B错误；实验中与滑块相连的轻绳与桌
12、面一定要平行，C正确，D错误.(2)由牛顿运动定律可得Fmgma，由运动学公式可,答案：(1)C(2)0.5,0.3,考向2,选择整体作为研究对象,【典题4】(2016年新课标卷)某物理课外小组利用图S4-9中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N5个，每个质量均为0.010kg.实验步骤如下：图S4-9,(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑.(2)将n(依次取n1,2,3,4,
13、5)个钩码挂在轻绳右端，其余Nn个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.(3)对应于不同的n的a值见下表.n2时的s-t图象如图S4-10甲所示；由图甲求出此时小车的加速度(计算结果保留两位有效数字)，将结果填入下表.,(4)利用表中的数据在图乙中补齐数据点，并画出a-n图象.从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比.,甲,乙,图S4-10,(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为_kg.(计算,结果保留两位有效数字，重力加速度g取9.8
14、m/s2),(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的,是_(填正确选项前的序号).,A.a-n图线不再是直线,B.a-n图线仍是直线，但该直线不过原点C.a-n图线仍是直线，但该直线的斜率变大,(6)木板水平时要考虑摩擦力的影响，对于挂在下面的n个钩码，有nmgFnma；对于小车(含剩下的钩码)，有FM(Nn)mgM(Nn)ma两式相加得nmgM(Nn)mg(MNm)a去中括号得n(mgmg)(MNm)g(MNm)a移项化简得n(mgmg)(MNm)(ag),可见a-n图象仍是一条直线，但其斜率要变大，且不过坐标原点，B、C正确.,答案：(3)0.39(0.370.49均正确)(4)如图S4-11所示.(5)0.45(0.430.47均正确)(6)BC,图S4-11,方法技巧：本实验还可以从以下两个方面创新：(1)实验目的的创新：测小车与木板间的动摩擦因数.(2)实验器材的创新,利用位移传感器测物体的位移.,利用传感器测物体的速度或加速度.,