第5講　實驗：驗證牛頓運動定律

第5講實驗：驗證牛頓運動定律

把握經(jīng)典實驗方案

一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(1)平衡：平衡摩擦力(改變小車或鉤碼質(zhì)量，無需重新平衡摩擦力)。(2)質(zhì)量：鉤碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量(若使用力傳感器，或以小車與鉤碼的系統(tǒng)為研究對象無需滿足此要求)。(3)要測量的物理量①小車與其上砝碼的總質(zhì)量(用天平測量)。②小車受到的拉力(約等于鉤碼的重力)。③小車的加速度(根據(jù)紙帶用逐差法或根據(jù)光電門數(shù)據(jù)計算加速度)。(4)其他：細繩與長木板平行；小車從靠近打點計時器的位置釋放，在到達定滑輪前按住小車，實驗時先接通電源，后釋放小車。續(xù)表

融通多彩實驗方案

粵教版新教材——探究加速度與力、質(zhì)量的定量關系實驗裝置圖[要點解讀]1．用氣墊導軌替代長木板做實驗，不用再平衡滑塊的摩擦力。2．利用光電門和數(shù)字計時器來計算滑塊通過光電門的速度。3．利用小桶內(nèi)加入橡皮泥來改變滑塊所受的合外力。4．共同的注意事項(1)保證細繩與長木板或氣墊導軌平行。(2)滿足M?m，以確保細繩的拉力近似等于懸掛的鉤碼或小桶和橡皮泥的重力。5．一致的誤差分析思路(1)偶然誤差①質(zhì)量測量及其他數(shù)據(jù)測量不準確。②描點、連線不準確。(2)系統(tǒng)誤差本實驗用鉤碼或小桶和橡皮泥的重力作為細繩的拉力屬于實驗原理不完善引起

的誤差。一、基礎考法保住分考查點(一)實驗原理與操作1．某實驗小組利用圖1所示的裝置驗證牛頓運動定律。(1)下列做法正確的是________(填字母代號)。A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木板保持平行B．在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上C．實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源D．通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度(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動時受到的拉力，應滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量________(選填“遠大于”“遠小于”或“近似等于”)木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量。(3)甲、乙兩同學在同一實驗室，各取一套圖1的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關系，分別得到圖2中甲、乙兩條直線。設甲、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摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙，由圖2可知，m甲______m乙，μ甲______μ乙(均選填“>”“＝”或“<”)。解析：(1)實驗中細繩要保持與長木板平行，A正確；平衡摩擦力時不能將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上，這樣無法平衡摩擦力，B錯誤；實驗時應先接通電源再放開木塊，C錯誤；平衡摩擦力后，改變木塊上的砝碼的質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力，D正確。答案：(1)AD

(2)遠小于(3)<

>[關鍵點撥](1)長木板上滑輪的高度可以調(diào)節(jié)，以使牽引小車(木塊)的細繩與長木板保持平行。(2)平衡摩擦力：平衡摩擦力時，要調(diào)出一個合適的斜面，使小車(木塊)的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車(木塊)受的摩擦阻力。此時，不要把懸掛砝碼桶的細繩系在小車(木塊)上，即不要給小車(木塊)加任何牽引力，要讓小車(木塊)拖著紙帶運動。(3)實驗條件：M?m。只有如此，砝碼桶和砝碼的總重力mg才可視為小車(木塊)受到的拉力。(4)一先一后：改變拉力和小車(木塊)質(zhì)量后，每次開始時小車(木塊)應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，后放開小車(木塊)，且應在小車(木塊)到達滑輪前按住小車(木塊)。(5)如果沒有平衡摩擦力，則其a-F圖線將不是一條過原點的直線，而是一條與F軸有交點的傾斜直線。考查點(二)數(shù)據(jù)處理和誤差分析2．某實驗小組利用如圖1所示的裝置“驗證牛頓運動定律”。(1)實驗中除了需要小車、砝碼、托盤、細繩、附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、兩根導線、復寫紙、紙帶之外，還需要________、________。答案：(1)天平刻度尺(2)反比過大(3)①

0.5二、創(chuàng)新考法不失分創(chuàng)新角度(一)實驗目的的創(chuàng)新1．兩位同學采用如圖所示的裝置測定物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)。實驗中，他們使物塊在重物的牽引下由靜止開始運動，當重物落地后，物塊再運動一段距離后停在水平桌面上，用打點計時器和紙帶記錄物塊的運動。(1)實驗時，甲同學測量出重物的質(zhì)量為M，物塊的質(zhì)量為m，他選擇了一條點跡清晰的紙帶測量，計算出物塊加速過程中的加速度大小為a；已知重力加速度為g，甲同學忽略滑輪質(zhì)量和繩與滑輪間的摩擦，得出物塊和桌面間的動摩擦因數(shù)表達式為μ＝________(用M、m、a、g表示)。(2)如圖所示為乙同學選取的一段紙帶，1、2、3、4、5是他選取的計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出。已知打點計時器電源的頻率為50Hz，當?shù)氐闹亓铀俣却笮?.8m/s2。利用紙帶測得的數(shù)據(jù)可求出該物塊減速運動過程中的加速度大小a＝____m/s2，物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)μ＝______。(計算結(jié)果均保留到小數(shù)點后2位)[創(chuàng)新點分析](1)根據(jù)測量的加速度大小，結(jié)合牛頓第二定律得出物塊與桌面的動摩擦因數(shù)。(2)重物落地后，物塊水平方向只受滑動摩擦力作用做勻減速直線運動。

2．(2022·山東等級考)在天宮課堂中，我國航天員演示了利用牛頓第二定律測量物體質(zhì)量的實驗。受此啟發(fā)，某同學利用氣墊導軌、力傳感器、無線加速度傳感器、輕彈簧和待測物體等器材設計了測量物體質(zhì)量的實驗，如圖甲所示。主要步驟如下：①將力傳感器固定在氣墊導軌左端支架上，加速度傳感器固定在滑塊上；②接通氣源，放上滑塊，調(diào)平氣墊導軌；③將彈簧左端連接力傳感器，右端連接滑塊。彈簧處于原長時滑塊左端位于O點。A點到O點的距離為5.00cm，拉動滑塊使其左端處于A點，由靜止釋放并開始計時；④計算機采集獲取數(shù)據(jù)，得到滑塊所受彈力F、加速度a隨時間t變化的圖像，部分圖像如圖乙所示?；卮鹨韵聠栴}(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)：(1)彈簧的勁度系數(shù)為________N/m。(2)該同學從圖乙中提取某些時刻F與a的數(shù)據(jù)，畫出a-F圖像如圖丙中Ⅰ所示，由此可得滑塊與加速度傳感器的總質(zhì)量為________kg。(3)該同學在滑塊上增加待測物體，重復上述實驗步驟，在圖丙中畫出新的a-F圖像Ⅱ，則待測物體的質(zhì)量為________kg。[創(chuàng)新點分析]

(1)利用牛頓第二定律測物體的質(zhì)量。(2)本題綜合考查了F-t圖像、a-t圖像和a-F圖像。

答案：(1)12

(2)0.20

(3)0.13創(chuàng)新角度(二)實驗器材的創(chuàng)新3．某實驗小組采用如圖甲所示的實驗裝置驗證牛頓運動定律。實驗時滑塊在細線拉力的作用下沿軌道運動，滑塊受到的拉力由力傳感器讀出，位移傳感器發(fā)射部分固定在滑塊上隨滑塊運動，位移傳感器接收部分固定在軌道上，能讀出滑塊的位移隨時間的變化規(guī)律。(1)實驗中________(填“需要”或“不需要”)重物的質(zhì)量m與滑塊的質(zhì)量M滿足M?m。(2)如果滑塊的位移與時間的關系式為x＝0.6t2，則滑塊的加速度a＝________m/s2。(3)用正確的實驗方法測得實驗數(shù)據(jù)，作出a-F圖線如圖乙所示。由圖中的a-F圖線可知滑塊受到的摩擦力大小為________N。[創(chuàng)新點分析](1)利用位移傳感器得出滑塊的位移隨時間變化的規(guī)律，進而得出滑塊的加速度。(2)利用力傳感器測出滑塊受到細線拉力大小。

答案：(1)不需要(2)1.2

(3)0.4創(chuàng)新角度(三)實驗原理的創(chuàng)新4．(2023·自貢高三調(diào)研)某物理興趣小組用如圖所示裝置探究加速度與合外力關系。已知當?shù)刂亓铀俣葹間。(1)實驗步驟如下：第1步：把長木板不帶滑輪一端用鉸鏈固定在水平桌面上，另一端用墊塊墊起一定高度。兩光電門固定在木板上，且光電門1和2距離較遠，光電門1距離小滑塊(帶遮光條)比較近。第2步：通過調(diào)整沙桶內(nèi)細沙的質(zhì)量，直至給小滑塊一個沿木板向下的初速度，小滑塊勻速下滑，即觀察到遮光條通過兩光電門的時間________(填“相等”或“不相等”)為止。第3步：去掉小沙桶，把小滑塊緊挨小滑輪由靜止釋放，記錄遮光條(遮光條寬度為d)通過光電門2的時間t，同時測量出沙桶(包括里面的細沙)質(zhì)量m。第4步：改變墊塊的位置，重復第2、3兩步。(2)在實驗步驟第3步中，小滑塊通過光電門2的速度為________；去掉小沙桶，把小滑塊緊挨小滑輪由靜止釋放后，小滑塊所受到的合外力為________。(用題中所給的字母表示)。(3)設小滑塊(包括遮光條)質(zhì)量為M，小滑塊釋放點到光電門2距離為x，若關系式m＝________成立，可得質(zhì)量一定時，加速度與合外力成正比。[創(chuàng)新點分析](1)利用光電門測滑塊的速度。(2)通過調(diào)整沙桶內(nèi)細沙的質(zhì)量，使小滑塊勻速下滑，從而得到滑塊單獨下滑時的合外力。(3)根據(jù)m的關系式判斷加速度與合外力的關系。

創(chuàng)新角度(四)跨實驗的交匯考查5．(2022·浙江6月選考·節(jié)選)(1)“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗裝置如圖1所示，長木板水平放置，細繩與長木板平行。圖2是打出紙帶的一部分，以計數(shù)點O為位移測量起點和計時起點，則打計數(shù)點B時小車位移大小為________cm。由圖3中小車運動的數(shù)據(jù)點，求得加速度為________m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。(2)利用圖1裝