實驗四　驗證牛頓運動定律

實驗四驗證牛頓運動定律實驗解讀·核心突破分類研析·拓展提升實驗解讀·核心突破●注意事項1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,且要讓小車拖著紙帶勻速運動.2.實驗條件:小車的質量M遠大于小盤和砝碼的總質量m.3.操作要領:改變拉力和小車質量后,每次開始時小車應盡量靠近打點計時器,并應先接通電源,再放開小車,且應在小車到達定滑輪前按住小車.2.摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數點間距測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差.常規(guī)實驗類型一[例1]某實驗小組利用圖1所示的裝置探究加速度與力、質量的關系.分類研析·拓展提升(1)下列做法正確的是

(填字母代號).

A.調節(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量時,不需要重新調節(jié)木板傾斜度解析:(1)為保證繩的拉力方向不變,細繩要保持與長木板平行,A項正確;平衡摩擦力是通過墊高長木板左端,使得木塊沿斜面向下的分力與滑動摩擦力平衡,B項錯誤;實驗時應先接通電源再放開木塊,C項錯誤;平衡摩擦力后,改變木塊上的砝碼的質量時,不需要重新平衡摩擦力,D項正確.答案:(1)AD

答案:(2)遠小于(2)為使砝碼桶及桶內砝碼的總重力在數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砝碼的總質量

(選填“遠大于”“遠小于”或“近似等于”)木塊和木塊上砝碼的總質量.

答案:(3)小于大于(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、乙用的木塊質量分別為m甲,m乙,甲、乙用的木塊與木板間的動摩擦因數分別為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.

易錯警示(1)改變木塊質量時,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量遠小于木塊和砝碼的質量時,細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量、物體受力的關系”的實驗裝置如圖(甲)所示,已知打點計時器所用電源頻率為50Hz,試回答下列問題:(1)實驗中在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中,打出了一條紙帶如圖(乙)所示,A,B,C,D,E,F,G這些點的間距如圖中標示,其中每相鄰兩點間還有4個計時點未畫出.根據測量結果計算:打C點時小車的速度大小為

m/s;小車運動的加速度大小為

m/s2.(結果均保留三位有效數字)

答案:(1)1.181.50答案:(2)未計入砝碼盤的重力解析:(2)平衡摩擦力后,F=0時就產生了加速度,說明未計入砝碼盤的重力.(2)平衡好摩擦力后,將5個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砝碼添加到砝碼盤中,測量小車的加速度.根據小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數據作出的aF圖線如圖(丙)所示,此圖線不通過原點的主要原因是

.

易錯警示(1)圖象法處理實驗數據一直是高考考查的熱點,一般會要求根據數據畫出圖象,根據圖象分析誤差原因或根據圖象斜率和截距等得出相關物理量.1.“探究加速度與力、質量的關系”的實驗裝置如圖1所示.(1)根據一條實驗中打出的紙帶,通過測量、計算,作出小車的v-t圖象如圖2,可知小車的加速度為

m/s2.

題組訓練答案:(1)3.0(2)在研究加速度與力的關系時,保持小車的

不變,測出在拉力F作用下小車的加速度a,改變拉力F,重復實驗,得到多組不同的F及相應a的實驗數據,有同學認為:測量多組不同F(xiàn),a的數據,目的是求平均值來減小實驗誤差,該同學的看法是

(選填“正確”或“錯誤”)的.

解析:(2)在研究加速度與力的關系時,保持小車的質量不變,測量多組不同F(xiàn),a的數據是為了作出a-F圖象,找出質量不變時,加速度隨合力變化的規(guī)律,不是為了求出平均值來減小實驗誤差,故該同學的看法是錯誤的.答案:(2)質量錯誤2.如圖所示,做“探究加速度與力的關系”的實驗:小車擱置在水平放置的長木板上,紙帶連接車尾并穿過打點計時器,用來測定小車的加速度a,小桶通過細線對小車施加拉力F.在保持小車質量不變的情況下,改變對小車拉力F的大小,測得小車所受拉力F和加速度a的數據如下表:F/N0.210.300.400.490.60a/(m·s-2)0.100.210.290.410.49(1)根據測得的數據,在下圖中作出a-F圖象.解析:(1)①a-F圖象中根據所給的數據描點.②用一條直線連接這些點(連接時要讓盡可能多的點落在直線上,讓其他的點盡可能分布在直線的兩側).答案:(1)圖見解析答案:(2)0.10(2)由圖象可知,小車與長木板之間的最大靜摩擦力大小為

N.

解析:(2)當拉力大于等于最大靜摩擦力時,小車開始運動,由上問所得a-F圖象可知,當拉力等于0.10N時,小車開始運動,故最大靜摩擦力為0.10N.答案:(3)C(3)若要使作出的a-F圖線過坐標原點,需要調整實驗裝置,可采取以下措施中的

.

A.增加小車的質量 B.減小小車的質量C.適當墊高長木板的右端 D.適當增加小桶內砝碼質量解析:(3)若要使作出的a-F圖線過坐標原點即繩子的拉力等于小車所受的合外力,故需要平衡摩擦力,其方法是適當墊高長木板的右端,故C正確.[例3](2019·全國Ⅱ卷,22)如圖(a),某同學設計了測量鐵塊與木板間動摩擦因數的實驗.所用器材有:鐵架臺、長木板、鐵塊、米尺、電磁打點計時器、頻率50Hz的交流電源,紙帶等.回答下列問題:(1)鐵塊與木板間動摩擦因數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)新實驗類型二(2)某次實驗時,調整木板與水平面的夾角使θ=30°.接通電源,開啟打點計時器,釋放鐵塊,鐵塊從靜止開始沿木板滑下.多次重復后選擇點跡清晰的一條紙帶,如圖(b)所示.圖中的點為計數點(每兩個相鄰的計數點間還有4個點未畫出).重力加速度為9.80m/s2.可以計算出鐵塊與木板間的動摩擦因數為

(結果保留2位小數).

答案:(2)0.35[例4](2016·全國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系.圖中,置于實驗臺上的長木板水平放置,其右端固定一輕滑輪;輕繩跨過滑輪,一端與放在木板上的小滑車相連,另一端可懸掛鉤碼.本實驗中可用的鉤碼共有N=5個,每個質量均為0.010kg.實驗步驟如下:(1)將5個鉤碼全部放入小車中,在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊,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)個鉤碼掛在輕繩右端,其余N-n個鉤碼仍留在小車內;用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車,同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s,繪制s-t圖象,經數據處理后可得到相應的加速度a.(3)對應于不同的n的a值見下表.n=2時的s-t圖象如圖(乙)所示,由圖(乙)求出此時小車的加速度(保留2位有效數字),將結果填入下表.n12345a/(m·s-2)0.20

0.580.781.00答案:(3)0.39(4)利用表中的數據在圖(丙)中補齊數據點,并作出a-n圖象.從圖象可以看出:當物體質量一定時,物體的加速度與其所受的合外力成正比.解析:(4)在題圖(丙)中描出數據點(2,0.39),(3,0.58),(5,1.00)并過各數據點作出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)的質量為

kg(保留2位有效數字,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”來代替步驟(1),下列說法正確的是

(填入正確選項前的標號).

A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線,但該直線不過原點C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大答案:(6)BC1.(2019·云南昆明質檢)探究“加速度與力、質量關系”的實驗裝置如圖(甲)所示.小車后面固定一條紙帶,穿過電火花打點計時器,細線一端連著小車,另一端通過光滑的定滑輪和動滑輪與掛在豎直面內的拉力傳感器相連,拉力傳感器用于測小車受到拉力的大小.(1)關于平衡摩擦力,下列說法正確的是

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A.平衡摩擦力時,需要在動滑輪上掛上鉤碼B.改變小車質量時,需要重新平衡摩擦力C.改變小車拉力時,不需要重新平衡摩擦力題組訓練解析:(1)平衡摩擦力只需要將木板適當傾斜,不需要在動滑輪上掛鉤碼;改變小車質量或拉力,都不需要重新平衡摩擦力,選項A,B錯誤,C正確.答案:(1)C(2)實驗中

(選填“需要”或“不需要”)滿足所掛鉤碼質量遠小于小車質量.

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值,因此不需要滿足所掛鉤碼的質量遠小于小車質量.(3)某同學根據實驗數據作出了加速度a與力F的關系圖象如圖(乙)所示,圖線不過原點的原因是

.

A.鉤碼質量沒有遠小于小車質量B.平衡摩擦力時木板傾角過大C.平衡摩擦力時木板傾角過小或未平衡摩擦力答案:(3)B解析:(3)由圖(乙)可知在拉力F為零時小車有加速度,應是平衡摩擦力時木板傾角過大造成的,選項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木板上固定有甲、乙兩個光電門,與之相連的計時器可以顯示帶有遮光片的小車在其間的運動時間,與跨過定滑輪的輕質細繩相連的輕質力傳感器能顯示掛鉤處所受的拉力.(1)在探究質量一定時、加速度與合外力的關系時,要使力的傳感器的示數等于小車所受合外力,必須進行的操作是

.然后保持小車的質量不變,多次向沙桶里加沙,測得多組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,所以做實驗首先必須要平衡摩擦力.小車質量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、加速度與質量的關系時,先測出小車質量m,再讓小車從靠近光電門甲處由靜止開始運動,讀出小車在兩光電門之間的運動時間t.改變小車質量m,測得多組m,t的值,建立坐標系描點作出圖線.下列能直觀得出合外力一定時,加速度與質量成反比的圖線是

.

答案:(2)C實驗原理

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