【物理】2018届一轮复习人教版第3章实验4 验证牛顿运动定律教案
实验四 验证牛顿运动定律
一、实验目的
1.学会用控制变量法研究物理规律.
2.探究加速度与力、质量的关系.
3.掌握利用图象处理数据的方法.
二、实验器材
小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、天平、米尺.
考点一| 实验原理与操作
[母题] 某实验小组利用图实41所示的装置探究加速度与力、质量的关系．
图实41
(1)下列做法正确的是________(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，将装有砝码的砝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．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度
(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________木块和木块上砝码的总质量．(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)
(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图实41示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图实42中甲、乙两条直线．设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙．(选填“大于”“小于”或“等于”)
图实42
【解析】 (1)探究加速度与力、质量的关系时，牵引木块的细绳应与长木板平行；平衡摩擦力时应不挂砝码桶；对于打点计时器，应先接通电源，再放开木块；平衡摩擦力后，改变木块上砝码的质量，不需要重新平衡摩擦力．选项A、D正确，选项B、C错误．
(2)对于系统，根据牛顿第二定律，有a＝，牵引小车的拉力F＝Ma＝.要使F＝mg，则M≈M＋m，即要求m≪M.
(3)对于木块，根据牛顿第二定律，得a＝＝－μg，故aF图象的斜率反映了木块质量的倒数．有>，所以m甲
μ乙．
【答案】 (1)AD (2)远小于 (3)小于 大于
[借题悟法·核心点拨]
1.实验操作步骤的三点提醒[第(1)问]
(1)平衡木块的滑动摩擦力时，砝码桶不能拴在木块上．
(2)改变木块质量时，不需要重新平衡摩擦力．
(3)实验过程中，应先接通电源，再放开木块.
2.实验原理的理解[第(2)问]
(1)平衡木块摩擦力后，细绳的拉力即为木块的合外力．
(2)只有满足砝码桶及桶内砝码的总质量远小于木块和木块上砝码的总质量时，细绳的拉力才近似等于砝码桶及桶内砝码的总重力.
3.利用图象分析实验结果[第(3)问]
(1)因没有平衡摩擦力，aF图线为不过原点的倾斜直线．
(2)利用aF图线的斜率、截距的意义比较m、μ的大小.
[母题迁移]
(2017·汕头质检)图43为验证牛顿第二定律的实验装置示意图．
图实43
(1)平衡小车所受阻力的操作：取下________，把木板不带滑轮的一端垫高；接通电火花计时器电源，轻推小车，让小车拖着纸带运动．如果打出的纸带如图44所示，则应________(选填“减小”或“增大”)木板的倾角，反复调节，直到纸带上打出的点迹________为止．
图实44
(2)图45为研究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量的关系”时所得的实验图象，横坐标m为小车上砝码的质量．设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿第二定律成立，则小车受到的拉力为________，小车的质量为________．
图实45
【解析】
(1)平衡小车所受阻力时，需要将砝码取下；题图纸带反映了小车在做加速运动，即垫木垫高了，应减小木板的倾角，直到纸带打出的点迹均匀为止．
(2)当小车上的砝码为零时，小车加速度为a0＝，设小车的质量为M，则小车受到的拉力为F＝Ma0＝；图中直线的函数关系式为＝km＋b，根据牛顿第二定律F＝(m＋M)a，可解得：M＝，F＝.
【答案】 (1)砝码 减小 间隔相等(均匀) (2)
考点二| 数据处理与误差分析
[母题] (2017·宁德质检)某次“探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系”实验过程是：
(1)图实46甲所示为实验装置图．图实46乙为某次实验得到的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1 s，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位有效数字)．
甲 乙
图实46
(2)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，进行多次测量．根据实验数据做出了加速度a随拉力F的变化图线，如图实47所示．图中直线没有通过原点，其主要原因是
图实47
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________.
(3)保持砂和砂桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度a、质量m及其对应的的数据如表中所示：
实验次数
1
2
3
4
5
6
7
8
小车加速度a/m·s－2
1.90
1.72
1.49
1.25
1.00
0.75
0.50
0.30
小车和砝码质量m/kg
0.25
0.29
0.33
0.40
0.50
0.71
1.00
1.67
/kg－1
4.00
3.45
3.03
2.50
2.00
1.41
1.00
0.60
a．请在坐标纸中画出a图线：
图实48
b．根据作出的a图象可以得到的结论是：
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______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________.
【答案】 (1)0.43 (2)实验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分) (3)a.如图所示
b．图线为过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量成反比
[借题悟法·核心点拨]
1.利用纸带求解小车的加速度[第(1)问]
(1)逐差法求纸带加速度的公式
a＝.
(2)注意对计算结果有效数字的要求.
2.利用图象分析a、F间的关系及误差分析[第(2)问]
(1)保持小车质量不变时，aF图象应为一条过原点的直线.
(2)aF图象不过原点可能是平衡小车摩擦力时没有达到实验要求所致.
3.利用图象分析a、m间的关系[第(3)问]
(1)小车合力不变时，a、m之间成反比关系.
(2)利用化曲为直的思想，做出a关系图线，若为过原点的倾斜直线，则小车合外力一定时，a、m之间成反比关系.
[母题迁移]
1．(2016·全国丙卷)某物理课外小组利用图实49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N＝5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下：
【导学号：92492145】
图实49
(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n＝1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余N－n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．n＝2时的s t图象如图实410所示；由图实410求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.
n
1
2
3
4
5
a/(m·s－2)
0.20
0.58
0.78
1.00
图实410
(4)利用表中的数据在图实411中补齐数据点，并作出an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．
图实411
(5)利用an图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字，重力加速度g取9.8 m·s－2)．
(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是________(填入正确选项前的标号)
A．an图线不再是直线
B．an图线仍是直线，但该直线不过原点
C．an图线仍是直线，但该直线的斜率变大
【解析】 (3)根据题图(b)可知，当t＝2.00 s时，位移s＝0.78 m，由s＝at2，得加速度a＝＝0.39 m/s2.
(4)图象如图所示．
(5)小车空载时，n＝5，加速度为a＝1.00 m/s2.由牛顿第二定律得nm0g＝(m＋nm0)a，代入数据得m＝0.44 kg.
(6)若保持木板水平，则小车运动中受到摩擦力的作用，n的数值相同的情况下，加速度a变小，直线的斜率变小．绳的拉力等于摩擦力时，小车才开始运动，图象不过原点，选项B正确．
【答案】 (3)0.39 (4)见解析 (5)0.44 (6)B
2．(2017·河北省高阳中学模拟)用图实412(a)所示的实验装置验证牛顿第二定律：
(1)某同学通过实验得到如图(b)所示的aF图象，造成这一结果的原因是：在平衡摩擦力时木板与水平桌面间的倾角________(选填“偏大”或“偏小”)．
图实412
(2)该同学在平衡摩擦力后进行实验，实际小车在运动过程中所受的拉力________砝码和盘的总重力(选填“大于”“小于”或“等于”
)，为了便于探究、减小误差，应使小车质量M与砝码和盘的总质量m满足________的条件．
(3)某同学得到如图实413所示的纸带．已知打点计时器电源频率为50 Hz.A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点．Δs＝sDG－sAD＝________ cm.由此可算出小车的加速度a＝________m/s2(保留两位有效数字)．
图实413
【解析】 (1)根据所给的aF图象可知，当F＝0时，小车已经有了加速度a0，所以肯定是在平衡摩擦力时木板与水平桌面间的倾角偏大造成的．
(2)根据牛顿定律，对小车F＝Ma，对砝码和盘mg－F＝ma，解得F＝
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