【文档说明】(新课标版)高考物理一轮复习课件3.4实验验证牛顿第二定律 (含解析).ppt，共(69)页，1.802 MB，由MTyang资料小铺上传

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3．4实验：验证牛顿运动定律知识清单考点整合集中记忆一、实验目的学会用控制变量法研究物理规律探究加速度与力、质量的关系．掌握运用图像处理问题的方法．二、实验原理用控制变量法探究加速度a与力F、质量M的关系，可以先保持F不变，

研究a和M的关系，再保持M不变，研究a和F的关系．三、实验器材带定滑轮的长木板、低压交流电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线．四、实验步骤用天平测出小车的质量M，小盘和砝码的总质量m.按图把实验器材安装好，先不要把悬挂小盘的细绳系在车上．在木板的一端下面垫一木

块，移动木块的位置，直至小车拖着纸带在斜面上做匀速运动．小盘绕过滑轮系于小车上，先通电源后放开小车，打完点后切断电源，取下纸带．保持小车的质量M不变，改变砝码和小盘的质量m，重复步骤4三次．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.作a-F的图像，若图像为一过原点的直线，证明加速

度与力成正比．保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量M，重复步骤4和6，作a-1M图像，若图像为一过原点的直线，证明加速度与质量成反比．五、注意事项安装器材时，要调整滑轮的高度，使拴小车的细绳与斜面平行．平衡摩擦

力时，小车连着穿过打点计时器的纸带，但不要把悬挂小盘的细线系在小车上．改变砝码的质量后，不需要重新平衡摩擦力．只有小车的质量远大于小盘和砝码的总质量，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车

，在小车到达滑轮前按住小车．考点讲练考点突破针对训练考点一实验原理与操作本实验的难点是测量小车的合力，实验通过两个“转换”，使小车合力的测量转化为对悬挂物重力的测量．1．平衡摩擦力——使小车所受的合力“转换”为拉

力小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合力为零，则小车所受的拉力等于小车的合力．2．M≫m——使小车所受的拉力“转换”为悬挂物重力M为小车质量，m为悬挂物质量系统加速度a＝mM＋mg，小车所受的拉力F＝Ma＝MmgM＋m＝11＋mMmg，显然，当M≫m

时F≈mg【注意】当研究对象为小车和悬挂物的系统时，在平衡摩擦力条件下，系统的合力等于悬挂物重力，因此不需要满足M≫m的条件．(见练2)图1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．图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，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(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．M＝200g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40gB．M＝200g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120gC．M＝400g，m＝10g、15

g、20g、25g、30g、40gD．M＝400g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120g(3)图2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：sAB＝4.22cm、sBC＝4.65cm、sCD＝5.08cm、sDE＝5.49cm、sEF＝5.91cm、sFG＝6.34cm.已知打点计时器的工作频率为50Hz，则小车的加速度a＝_

_______m/s2(结果保留两位有效数字)．图2【答案】(1)B(2)C(3)0.42【解析】(1)需要将长木板一端适当垫起一定高度，以平衡摩擦力，完成此项工作的标志就是不挂砂桶条件下小车能带动纸带匀速运动(通过打点计时

器点痕间隔是否均匀判定)．(2)根据实验原理：实验中小车的实际加速度为a＝mgM＋m，实验时把mg当成对M的拉力，即忽略m对加速度的影响，使加速度约为a＝mgM，显然需m≪M，据此可知C组最合理．(3)由逐差法求小车运

动的加速度a＝（DE＋EF＋FG）－（AB＋BC＋CD）9T2＝0.42m/s2.如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有砂子．砂桶的总质量(包括桶以及桶内砂子质量)记为m，小车的总质量(包括车、盒子及盒内砂子

质量)记为M.(1)验证在系统质量不变的情况下，加速度与合力成正比．从盒子中取出一些砂子，装入砂桶中，称量并记录砂桶的总重力mg，将该力视为合力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出．多次改变合力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度．本次实验中，桶内的砂子取自小车中

，故系统的总质量不变．以合力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a-F图像，图像是一条过原点的直线．①a­F图像斜率的物理意义是____________________________________________________________________________．②本次

实验中，把砂桶的总重力mg当做合力F，是否应该满足M≫m这样的条件？说明理由．______________________________________________________________________________________________

____________(2)验证在系统合力不变的情况下，加速度与质量成反比．保持桶内砂子质量m不变，在盒子内添加或去掉一些砂子，验证加速度与质量的关系．本次实验中，桶内的砂子总质量不变，故系统所受的合力不变．用图像法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以________的倒数为横轴．【

答案】(1)①1M＋m②否因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的合力就等于mg(2)M＋m【解析】(1)将小车内的砂子转移到桶中，就保证了M＋m不变，即系统的总质量不变，研究对象是整个系统，a＝F合M＋m＝mgM＋m，可见a-F图像斜率的物理意义是1M＋m，系统的合力就等于所悬挂砂

桶的重力mg，不必满足M≫m这样的条件．(2)向小车内添加或去掉部分砂子，是改变系统的总质量M＋m，而系统的合力仍等于所悬挂砂桶的重力mg，保证了合力不变．考点二数据处理与误差分析本实验的偶然误差主要由质量的测量、计数点间距测量引起，可通过多次测量取平均值

减小．本实验的系统误差主要由两个因素产生，分析如下：1．平衡摩擦力不准造成的误差图线a-F不通过原点，分两种情况：(1)当平衡摩擦力不够时，F≠0，a＝0.(2)当平衡摩擦力过度时，F＝0，a≠0.2．由于不满足M≫m引起的误差图线a-F和

a-1M都向下弯曲，分析：(1)在a-F图像中，根据a＝1M＋mmg，M一定，当满足M≫m时，图线斜率视为1M不变，图线为直线．不满足M≫m时，随着m增大，图线斜率减小，图线向下弯曲．(2)在a-1M图像中，根据a＝1M＋mmg＝mg1＋mM

·1M，m一定，当满足M≫m时，图线斜率视为mg不变，图线为直线．不满足M≫m时，随着M减小，图线斜率减小，图线向下弯曲．某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验．如图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，D为一

端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得．(1)如图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50Hz.根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为________m/s，小车的加速度大小为________m/s

2.(结果均保留两位有效数字)(2)在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据都在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)．请继续帮助该同学作出坐标系中的图像．(3)在“探究加速度

a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因．【答案】(1)1.63.2(2)见解析图(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够【解析】(1)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度，即B

点的瞬时速度，故vB＝AB＋BC4T＝（6.19＋6.70）×10－24×0.02m/s＝1.6m/s.由逐差法求解小车的加速度，a＝（CD＋DE）－（AB＋BC）4（2T）2＝（7.21＋7.72－6.19－6.70）×10－24（2×0.02）2m/s2＝3.2m/s2.(2)

将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称分布在直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所示．(3)图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够．图甲为某同学做“探究加速度与力、质量的关系”

的实验装置示意图，一端带有定滑轮的木板直接放在水平桌面上，细线与长木板平行．在研究小车(含砝码)质量不变，加速度和作用力的关系时，他先后五次改变砂和砂桶的总质量，测出相应的加速度a.在第一次测量时，砂和砂桶的总质量

为m1，小车质量M＝20m1，以后每次在砂桶里增加质量为Δm的砂子，已知Δm＝m12.(1)若把砂和砂桶的总重力作为小车所受合力F的大小，按这五组数据画出的a-F图像可能是下列图乙中的________．(2)第(1)题图像中图线不过坐标原点的原因是____

________________，若对此采取了纠正，该实验还存在一个较大的系统误差，是由砂和砂桶的总重力不等于小车受到的拉力引起的．设砂和砂桶的总重力为F测，小车真正受到的拉力为F真．若定义|F测－F真|F真×100%为拉力测量的百分误差，现要求百分误差不大

于5%，则当小车的总质量为200g时，砂和砂桶的总质量最大不能超过________g.【答案】(1)C(2)没有平衡小车所受的摩擦力10【解析】(1)设小车与桌面之间的动摩擦因数为μ，由牛顿第二定律可得F－μMg＝Ma，解得a＝FM－μg，A、B两项错误．若F较大

时，不满足M≫m，此时应用牛顿第二定律求解加速度时，绳子的拉力F不可近似认为等于砂和砂桶的重力，而是小于砂和砂桶的重力，故加速度值与a＝mgM－μg相比减小，C项正确，D项错误．(2)由于未平衡摩擦力，故导致砂与砂桶重力较小时，小车未加速运动，a­F图像上表现为不过原点，与横轴有一定截距

；由题意可知F测＝mg，设整体的加速度为a，由于摩擦力已被平衡，故绳的拉力为F真，由牛顿第二定律可得F真＝Ma，mg－F真＝ma，解得F真＝MmgM＋m，由题意可知百分误差|F测－F真|F真×100%＝|mg|－MmgM＋mMmgM＋m

×100%≤5%，代入质量M＝200g，解得m≤10g.考点三实验拓展与创新从高考命题看，本实验拓展的角度主要有：1．用两车运动比较法，验证牛顿第二定律(见练5)．2．用测力计直接测拉力，不需要满足M≫m条件(见练6.7)．3．用光电计时器获取

实验数据，计算加速度(见练8)．4．通过实验方法迁移，探究新问题(见练9)．(2018·宿州三模)如图甲(侧视图只画了一个小车)所示的实验装置可以验证“牛顿第二定律”，两个相同的小车放在光滑水平桌面上，右端各系一条细绳，跨过定滑轮各挂一个小盘增减盘中的砝码可改变小车受到的合外力，增减车上的砝

码可改变小车的质量．两车左端各系一条细线用一个黑板擦把两细线同时按在固定、粗糙的水平垫片上，使小车静止(如图乙)．抬起黑板擦两车同时运动，在两车尚未碰到滑轮前，迅速按下黑板擦，两车立刻停止，测出两车位移的大小．(1)该实验中，盘和盘中砝码的总质量应________

小车的总质量(填“远大于”“远小于”“等于”)．(2)图丙为某同学在验证“合外力不变加速度与质量成反比”时的实验记录，已测得小车1的总质量M1＝100g，小车2的总质量M2＝200g．由图可读出小车1的位移x1＝5.00m小车

2的位移x2＝________cm，可以算出a1a2＝________(结果保留三位有效数字)；在实验误差允许的范围内，a1a2________m2m1(填“大于”“小于”“等于”)．【答案】(1)远小于(2)2.452.02等于【解析】(1)对小车和盘整体受力分析可知：mg＝(

M＋m)a，对小车有：F＝Ma＝MmgM＋m＝mg1＋mM可知，当m≪M时，小车受到的拉力等于盘和盘中砝码的总重力(2)通过刻度尺可知：x2＝2.45cm由于小车都是做初速度为零的匀加速运动，根据x＝12at

2，由于时间相同，故有：a1a2＝x1x2＝2.02m2m1＝2故在误差允许的范围内，a1a2＝m2m1.(2018·成都模拟)为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图甲所示的实验装置．其中M为带滑轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量．(滑轮质量不计)(1)实验时，

一定要进行的操作是________．A．用天平测出砂和砂桶的质量．B．先挂上砂桶但不放砂子，然后将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力．C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数．D．为减小误差，实验中一定

要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M.E．改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带(2)该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带(两计数点间还有两个点没有画出)，已知打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电

，根据纸带可求出小车的加速度为________m/s2，(结果保留两位有效数字)若实验时电源的频率为49Hz，则加速度的测量值偏________．(填“大”或“小”)．(3)以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度为纵坐标，画出的a-F图像是一条直线，图线与横坐

标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为________．A．2tanθB.1tanθC．kD.2k【答案】(1)CE(2)1.3大(3)D【解析】(1)A项，本题拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总

质量，故A项错误，D项错误．B项，先拿下砂桶，然后将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力，B项错误；C项，打点计时器运用时，都是先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，C项正确；E项，改变砂和砂桶质量，即改变拉力的大小，E项正确；(2)由于两计数点间还有二个点没有画出，

故相邻计数点的时间间隔为0.06s，由Δx＝aT2可得：a＝3.8＋3.3＋2.8－2.3－1.9－1.49×0.062×10－2m/s＝1.3m/s2.如果在某次实验中，交流电的频率为49Hz，那么实际周期大于0.02s，测量的加速度值与真实的加速度值相比是

偏大的．(3)对a-F图来说，图像的斜率表示小车质量的倒数，此题，弹簧测力计的示数F＝12F合，小车质量为m＝2k，故D项正确．(2018·洛阳一模)某同学利用如图所示的装置欲探究小车的加速度与合外力的关系．具体实验步骤如下：①按照如图所示安装好实验装置，并测出两光电门之间的距离L②调节长木板的倾

角，轻推小车后，使小车沿长木板向下运动，且通过两个光电门的时间相等③取下细绳和沙桶，测量沙子和沙桶的总质量并记录④把小车置于靠近滑轮的位置，由静止释放小车，并记录小车先后通过光电门甲和乙的时间，并计算出小车到达

两个光电门时的速度和运动的加速度⑤重新挂上细绳和沙桶，改变沙桶中沙子的质量，重复②～④的步骤(1)用游标卡尺测得遮光片的宽度为d某次实验时通过光电门甲和乙的时间分别为Δt1，和Δt2.则小车加速度的表达式为________．(2)关于本实验的说法，正确的是____

____A．平衡摩擦力时需要取下细绳和沙桶B．平衡摩擦力时不需要取下细绳和沙桶C．沙桶和沙子的总质量必须远远小于小车的质量D．小车的质量必须远远小于沙桶和沙子的总质量(3)若想利用该装置测小车与木板之间的动摩

擦因数，某次实验中．该同学测得平衡摩擦力后斜面的倾角θ；沙和沙桶的总质量m，以及小车的质量M，则可推算出动摩擦因数的表达式μ＝________(表达式中含有m、M、θ)．【答案】（dΔt2）2－（dΔt1）22L(2)B(3)Msinθ－mMcosθ【解析】(1)小车经过光电门

时的速度：v1＝dΔt1，v2＝dΔt2，由匀变速直线运动的速度位移公式可知，加速度：a＝v22－v122L＝（dΔt2）2－（dΔt1）22L；(2)本实验中，沙桶和沙子的总重力即为小车做匀加速运动的合力，所以不需要“沙桶和沙子的总质量必须远远小于小车的质量”的实验条件，平

衡摩擦力时不需要取下细绳和沙桶，故A、C、D三项错误，B项正确；(3)对小车，由牛顿第二定律得：Mgsinθ－mg＝μMgcosθ，动摩擦因数：μ＝Msinθ－mMcosθ.(2018·宝鸡一模)某研究性学习小组采用如图所示甲的装置来验证物

体的加速度与合外力的关系．实验室提供的器材有：气垫导轨、滑块(左端装有遮光板，总质量为m)、光电门(配接数字计时器)、米尺、游标卡尺、铁架台．实验中，用米尺测得导轨顶端A与光电门所在位置B的距离为L，A、B之间的高度为h.(1)用游标卡尺测量遮光板的宽度d，如图乙所示，则d＝_____

___cm(2)接通气源，让滑块从A端由静止开始沿气垫导轨向下运动，读出遮光板通过光电门的时间为t，若遮光板的宽度用d表示，则滑块运动到B点时的速度v＝________，下滑过程的加速度a＝________，所受合外力F＝________(用题目所给物理量的字母表示)．(3)实验中，保

持滑块质量不变，而且保证滑块每次都从导轨的顶点A由静止释放，改变木板左端的高度，重复上面的实验，可得到多组h和t的测量值，做出________(选填h-t2或h-1t2)的图像，如果图像是线性的，便可验证质量一定时，加速

度与合外力成正比．【答案】(1)0.225(2)dtd22Lt2mghL(3)h-1t2【解析】(1)根据图示可知，主尺示数为2mm，游标尺上第4个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标尺读数为：5×0.05mm＝0.25mm，故最后读数为：2mm＋0.25mm＝2.25mm＝0.225cm.(2)挡

光条宽度d很小，挡光时间很短，因此可以用平均速度来代替瞬时速度，故滑块通过光电门的瞬时速度为：v＝dt，根据v2＝2aL，解得：a＝v22L＝d22Lt2而依据牛顿第二定律，F合＝mgsinθ＝mghL；(3)根据F合＝mghL＝ma＝m

d22Lt2得出，h＝d2g·1t2因此作出h-1t2的图像．(2018·江苏)某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤．实验操作如下：①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；②在重锤1上加上质量为m的小钩码；③左手将重锤2压在地

面上，保持系统静止．释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t.请回答下列问题：(1)步骤④可以减小对下落时间t测量的______

__(选填“偶然”或“系统”)误差．(2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了________．A．使H测得更准确B．使重锤1下落的时间长一些C．使系统的总质量近似等于2MD．使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等(3

)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差．现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？(4)使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0.用实验中的测量值和已知量表示g，得g＝________．【答案】(1)偶然(2)B(3)可以在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥的质量，直至轻拉重锤

1时，能观察到重锤1匀速下落，这时即可平衡摩擦力(4)2（2M＋m＋m0）Hmt2【解析】(1)使用多次测量的方法可以减小测量的偶然误差；(2)m相比于重锤的质量越小，则加速度越小，运动的时间：t＝2Ha就越大，测量的相对误差就越小．故选B项；(3

)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差，减小该误差，可以采用平衡摩擦力的方法：在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥的质量，直至轻拉重锤1时，能观察到重锤1匀速下落，这时即可平衡摩擦力．(4)使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0.此时由牛顿第二定律可得：(M＋M＋m＋m0)

a＝(M＋m＋m0)g－Mg－f其中：f＝m0g