1、实验探究： 验证牛顿运动定律,1.基础知识,2.典例剖析,3.创新实验,4.备选训练,5.真题演练,第三章 牛顿运动定律,一、基础知识,1.基础知识,二、典例剖析,2. 典例剖析,“验证牛顿第二定律”实验装置示意图,考点一 实验原理与基本操作,【例1】在“探究加速度和力、质量的关系”实 验中，采用如图所示的装置图进行实验： (1)实验中，需要在木板的右端垫上一个小木块， 其目的是_.,(2)实验中,已经测出小车的质量为M，砝码(包括砝码盘)的总质量为m，若要将砝码(包括砝码盘)的总重力大小作为小车所受拉力F的大小,这样做的前提条件是_。 (3)在实验操作中，下列说法正确的是_(填序号)。,平衡
2、摩擦力,mM,BD,转 解析,转 原题,注意事项 1.实验方法：控制变量法。 2.平衡摩擦力：在平衡摩擦力时,不要悬挂小盘,但小车应连着纸带且接通电源。用手给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的,表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。 3.不重复平衡摩擦力：平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力。 4.实验条件：Mm只有如此,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：改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后放开小车,且应在小车到达滑轮前按住小车。 6.
3、作图：作图时两轴标度比例要适当,各量须采用国际单位,这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。,【变式训练1】在“探究加速度与力、质量的关系”时采用如图所示的实验装置,小车及车中砝码质量为M,砂桶及砂的质量为m。,(1)若已平衡摩擦力,在小车做匀加速直线运动过程 中,绳的张力大小FT_,当M与m的大 小满足_时,才可认为绳子对小车的拉力大小等于砂和砂桶的重力. (2)某同学在保持砂和砂桶质量m一定的条件下，探究小车加速度a与质量M的关系，其具体操作步骤如下，则做法合理的有( ) A平衡摩擦力时，砂桶应用细线通过定滑轮系在 小车上且小车后面的纸带也必须连好 B每次改变小车质量M时，都需要重
4、新平衡摩擦力 C实验时，先接通计时器的电源，再放开小车 C实验时，先接通计时器的电源，再放开小车 D用天平测出m及M，直接用公式amg/M求出小车运动的加速度 (3)某同学在保持小车及车中砝码质量M一定的条件下,探究小车加速度a与所受外力F的关系时,由于操作不当得到aF图线如图示,试分析图线不过原点的原因是_,图线上部弯曲的原因是_。,转 解析,mg/(1+m/M),mM,C,木板的倾角太大,未满足Mm,转 原题,【备选】 (2012安徽高考)图为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图砂和砂桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M.实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小.,(1)实验
5、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，调节m的大小，使小车在砂和砂桶的牵引下运动，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，撤去砂和砂桶，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，撤去纸带以及砂和砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动,小车与木板间的摩擦力需要消除,(2)实验中要进行质量m和M的选取,以下最合
6、理的一组是( ). AM200 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g BM200 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g CM400 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g DM400 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g,砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的条件是：mM,(3)下图是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出量出相邻的计数点之间的距离分别为：xAB4.22 cm、xBC4.65 cm、xCD5.0
7、8 cm、xDE5.49 cm，xEF5.91 cm，xFG6.34 cm.已知打点计时器的工作频率为50 Hz，则小车的加速度a_m/s2.(结果保留二位有效数字),用逐差法 求加速度,0.42,转 解析,转 原题,【例2】 某一小组的同学用如图示装置做“探究物体质量一定时，加速度与力的关系”的实验。,(1)下列说法正确的有_。 A平衡摩擦力时，用细线一端挂空砝码盘，另一端与小车相连，将木板适当倾斜，使小车在木板上近似做匀速直线运动 B每次改变砝码及砝码盘总质量之后，应重新平衡摩擦力 C应让砝码及砝码盘总质量远大于小车及里面钩码的总质量 D砝码及砝码盘总质量远小于小车及里面钩码总质量时，可以
8、近似认为小车受到的拉力等于砝码及砝码盘的重力,D,考点二 实验数据处理与误差分析,此处表明，拉力为零时，小车已经具有一定的加速度，平衡摩擦力过度.,(2)图为实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分。从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两计数点之间都有4个计时点没有标出，用刻度尺分别测量出A点到B、C、D、E的距离如图5所示，已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上，则此次实验中小车运动加速度的测量值a_m/s2。(结果保留两位有效数字),(3)某同学平衡摩擦力后，改变砝码盘中砝码的质量，分别测量出小车的加速度a。以砝码盘及砝码的重力F为横坐标，以小车
9、的加速度a为纵坐标，得到如图所示的aF图线，则图线不通过坐标原点的主要原因是_。,转 解析,1.2,平衡摩擦力过度,转 原题,1因实验原理不完善引起误差 本实验实际上小车所受的拉力小于小盘和砝码的总重力，因此为了减小因实验原理不完善而引起的误差，应满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量,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误差,【变式训练2】如图示为某同学探究加速度与力和质量关系的实验装置, 两个相同质量的小车放在光滑水平板上, 前端各系一条细绳, 绳的一端跨过定滑轮各挂一个小盘, 盘中可放砝码. 两小车后端各系一条细绳, 一起被夹子夹着
10、使小车静止. 打开夹子, 两小车同时开始运动; 关上夹子, 两小车同时停下来, 用刻度尺测出两小车 的位移, 下表是该 同学在几次实验 中记录的数据.,小车甲,小车乙,请回答下述问题: (1)在每一次实验中, 甲、乙两车的位移之比 等于_之比, 请简要说明实验原理: _; (2)第一次实验控制了_不变, 在实验误差允许范围内可得出的结论是: _; (3)第二次实验控制了_不变, 在实验误差允许范围内可得出的结论是: _; (4)第三次实验时, 该同学先测量了甲车的位移, 再根据前两次实验结论, 计算出乙车应该发生的位移, 然后再测量了乙车的位移, 结果他高兴地发现, 理论的预言与实际符合得相当
11、好. 请问, 他计算出的乙车位移应该是_.,转 解析,加速度,由于两车运动时间相同, 由sat2/2得s甲s乙a甲a乙,小车质量,小车加速度与拉力成正比,小车所受拉力,小车加速度与质量成反比,30cm,点击按钮，模拟演示本实验中小车运动情况!,转原题,【备选】 某实验小组在实验室探究加速度和力、质量的关系. (1)甲同学在小车所受合外力不变时,改变小车的质量,得到数据如下表所示:,a.根据表中数据,在图甲的坐标系中描出相应的实验数据点,并作出a1/m图象. b.由a 1/m图象，可得出的结论为: _ c.小车受到的合力大约为_(结果保留两位有效数字),外力不变时,物体的加速度与质量成反比,1.
12、60N,(2)乙同学在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变对小车的拉力，由实验数据作出的aF图象如图乙所示，图线不过原点的原因可能是_,小车的质量为_kg.(保留两位有效数字),木板倾角过大,2.0,转 解析,此处表明，拉力为零时，小车已经具有一定的加速度，平衡摩擦力过度.,F,a,m = F/ a,转 原题,四、创新实验,3.创新实验,以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、设计性等特点。,视角1 实验器材的改进,视角2 数据测量的改进,视角3 实验的拓展延伸进,以“验证牛顿运动定律”为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。,【例3】（
13、2014新课标全国卷,22）某同学利用图(a)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(b)所示。实验中小车(含发射器)的质量为200 g,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： （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(b)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措施是
14、: _, 钩码的质量应满足的条件是: _。,非线性,存在摩擦力,调整轨道倾斜度以平衡摩擦力,远小于小车质量,转解析,转原题,【变式训练3】 (2013新课标全国卷,22)下图为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图实验步骤如下： 用天平测量物块和遮光片的总质量M、重物的质量m,用游标卡尺测量遮光片的宽度d;用米尺测量两光电门之间的距离s; 调整轻滑轮，使细线水平； 让物块从光电门A的左侧由静止释放,用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间tA和tB,求出加速度a； 多次重复步骤，求 a的平均值； 根据上述实验数据求 出动摩擦因数. 回答下列问题：,记录时间tA,由d
15、/tA得到此刻瞬时速度vA,记录时间tB,由d/tB得到此刻瞬时速度vB,(1)测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如右图所示，其读数为_ cm. (2)物块的加速度a可用d、s、tA和tB表示为a_. (3)动摩擦因数可用M、m、和 重力加速度g表示为_. (4)如果细线没有调整到水平,由此引起的误差属于_(选填“偶然误差”或“系统误差”),转解析,0.960,系统误差,转原题,解析 （2）不加传感器时将砂和砂桶的重力作为细线的拉力,而接了传感器后细线的拉力可以直接读出。 答案 （1）未平衡摩擦力；细线与木板不平行；开始实验时,小车离打点计时器太远 （2）不需要,解析显隐
16、,【备选】 如图所示, 为某同学安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置,在小车的前端固定一个传感器,和砂桶连接的细线接在传感器上,通过传感器可显示出细线的拉力。在图示状态下开始做实验。 （1）从图上可以看出,该同学在装置和操作中的主要错误是：_ _。 （2）若砂和砂桶的质量为m,小车和传感器的总重量为M,做好此实验 （填“需要” 或“不需要”）Mm的条件。,不需要,未平衡摩擦力；细线与木板不平行；开始实验时,小车离打点计时器太远,不再需要用将砂和砂桶的重力作为细线的拉力,三、备选训练,4.备选训练,【备选训练】 某同学设计了一个探究小车的加速度a与小车所受拉力F及质量m关系的实验，图(a)为实验
17、装置简图(所用交流电的频率为50 Hz) (1)为了研究加速度和质量的关系，在实验中必须采用控制变量法，应保持_不变,用砂桶及砂所受的重力作为_，图(b)为某次实验得到的纸带，实验数据如图，图中相邻计数点之间还有4个点未画出，根据纸带可求出小车的加速度大小为_ m/s2.(保留三位有效数字) (2)在本次实验中，实验小组通过改变小车质量共做了8组实验，得到下表所示的实验数据，通过分析表中数据，你得出的结论是：_.,拉力F,小车所受拉力,0.64,在小车所受外力不变的条件下,加速度与质量成反比例关系,现需通过图象进一步验证你的结论，可利用表格数据作图，应在 坐标纸中画出_图线 (3)在某次实验中
18、为研究加速度和力的关系，根据测得的多组数据可画出a-F关系图线，如图所示此图 线的AB段明显偏离直线，造成 此误差的主要原因是( ) A小车与木板之间存在摩擦 B木板保持了水平状态 C所挂砂桶及砂的总质量太大 D所用小车的质量太大,转解析,a-1/m,C,转原题,【备选训练】在探究小车的加速度a与小车质量M和小车受到的外力F的关系时： （1）探究加速度和力的关系的实验数据描绘出的a-F图象如图所示,下列说法正确的是 （填正确答案标号）。 A.三条倾斜的直线所对应的小车的质量相等 B.三条倾斜的直线所对应的小车的质量不同 C.直线1所对应的小车的质量最大 D.直线3所对应的小车的质量最大 （2）
19、由于没有始终满足小车的质量M远大 于钩码的质量m的关系,结果得到的图象应 是下图中的 （填正确答案标号）。,转解析,BD,D,转原题,【备选训练】 某实验小组利用如图甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系 (1)做实验时，将滑块从图甲所示位置由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1、t2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x，用游标卡尺测得遮光条宽度d，则滑块经过光电门1时的速度表达式v1_；经过光电门2时的速度表达式v2_.滑块加速度的表达式a_.(以上表达式均用已知字母表示)如图乙所示，若用20分度的游标卡尺测量遮
20、光条的宽度，其读数为_mm.,(2)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h(见图甲)关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端的高度h”的正确操作方法是_ AM增大时，h增大，以保持二者乘积增大 BM增大时，h减小，以保持二者乘积不变 CM减小时，h增大，以保持二者乘积不变 DM减小时，h减小，以保持二者乘积减小,解析显隐,五、真题演练,5.真题演练,【真题1】某同学用图所示的装置来验证加速度和质量成反比。在自制的双层架子上固定平板玻璃,架子放在水平桌面上。连接小车的细绳跨过定滑轮与小桶相连。实验步骤如下： 在两个小桶中装入适量细沙,并使两桶质量含沙子相同。 两车紧靠架子左边
21、的挡板,在乙车上放一个砝码,同时释放两车,当车运动一段时间后,用手机对整个装置进行拍照。在照片上,通过装置上的刻度尺,测出甲、乙两车运动的距离x1、x2； 在乙车上逐渐增加砝码个数,重复步骤。 (1)本实验的原理是通过验证小车发生的位 移与小车的质量成 ,来验证合外力 一定时加速度与质量成反比。 (2)实验前,该同学将装置的左端适当垫高 了一些,目的是_。实验过程 中_(填“甲”或“乙”)车受到的拉力更接近沙桶(含沙子)的重力。 (3)若该同学以x1/x2为横坐标,以乙车(含砝码(的质量m为纵坐标,作出的图线是直线,该直线的斜率是_填“甲车”“乙车”(含砝码)或“沙桶(含沙子)”的质量。,转解析,反比,平衡摩擦力,乙,甲车,转原题,
