學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精2021高三物理人教版一輪學(xué)案：第三單元實驗四驗證牛頓運動定律含解析實驗四驗證牛頓運動定律[實驗?zāi)康腯1．學(xué)會利用控制變量法研究物理規(guī)律．2．探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系．3．學(xué)會利用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)的方法．［實驗原理]1．保持質(zhì)量不變，探究加速度a與合外力F的關(guān)系．2．保持合外力不變，探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系．3．作出a。F圖象和a-eq\f（1,M)圖象，確定a與F、M的關(guān)系．［實驗器材］小車、砝碼、小盤、細繩、附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺．[實驗過程]1．稱量質(zhì)量：用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M.2．儀器安裝：按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細線系在小車上（即不給小車牽引力)．3．平衡摩擦力：在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車在斜面上做勻速直線運動．4．操作記錄：(1)把細繩系在小車上并繞過滑輪懸掛小盤，小盤里放砝碼，先接通電源再放開小車，取紙帶,編號碼．（2)保持小車的質(zhì)量M不變，改變小盤中砝碼的重力，重復(fù)步驟(1），由紙帶計算出小車的加速度，并把力和對應(yīng)的加速度填入表（一)中．（3）保持小盤和砝碼質(zhì)量m不變，改變小車和砝碼的總質(zhì)量M，重復(fù)以上步驟，并將所對應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表(二）中．表（一)實驗次數(shù)加速度a/(m·s－2）小車受力F/N1234表（二)實驗次數(shù)加速度a/（m·s－2）小車和小車上砝碼的總質(zhì)量M/kg123[數(shù)據(jù)處理］1．計算加速度:先在紙帶上標(biāo)明計數(shù)點,測量各計數(shù)點間的距離，根據(jù)逐差法計算各條紙帶對應(yīng)的加速度．2．作圖象找關(guān)系:根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車所受牽引力F，建立直角坐標(biāo)系，描點畫a。F圖象．如果圖象是一條過原點的傾斜直線，便證明加速度與作用力成正比．再根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車和小車上砝碼總質(zhì)量M，建立直角坐標(biāo)系,描點畫a.eq\f（1,M)圖象，如果圖象是一條過原點的傾斜直線，就證明了加速度與質(zhì)量成反比．[誤差分析］1．偶然誤差:（1）摩擦力平衡不準確，故在平衡摩擦力時,不給小車牽引力，使打點計時器打出的紙帶點跡間隔均勻．（2）質(zhì)量測量以及計數(shù)點間距測量不準確，故要采取多次測量取平均值．(3)作圖不準確，故在描點作圖時，要用坐標(biāo)紙，使盡量多的點落在直線上，不在直線上的點均勻分布兩側(cè),舍去偶然誤差較大的點．2．系統(tǒng)誤差：因?qū)嶒炘聿煌晟埔鸬恼`差．本實驗用小盤和砝碼的總重力mg代替對小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力,故要滿足小盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量．命題點1教材原型實驗為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系"，現(xiàn)提供如圖甲所示的實驗裝置：（1)以下實驗操作正確的是()A．將木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，使小車在砝碼及砝碼盤的牽引下恰好做勻速運動B．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使細線與木板平行C．先接通電源，后釋放小車D．實驗中小車的加速度越大越好(2)在實驗中得到一條如圖乙所示的紙帶，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T＝0.1s，且間距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分別為3.09cm、3.43cm、3.77cm、4。10cm、4.44cm、4。77cm，則小車的加速度a＝________m/s2。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）（3)有一組同學(xué)保持小車及車中的砝碼質(zhì)量一定，探究加速度a與所受外力F的關(guān)系，他們在軌道水平及傾斜兩種情況下分別做了實驗,得到了兩條a-F圖線，如圖丙所示．圖線________（填“①”或“②”)是在軌道傾斜情況下得到的;小車及車中砝碼的總質(zhì)量m＝________kg.【解析】（1)將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運動，以使小車的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消，那么小車的合力就是細線的拉力,故選項A錯誤；要使細線的拉力為小車的合力，應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細線與木板平行，故選項B正確;實驗時，應(yīng)使小車靠近打點計時器由靜止釋放,先接通電源，后釋放小車，故選項C正確；實驗時,為了減小實驗的誤差，小車的加速度應(yīng)適當(dāng)大一些，但不是越大越好,故選項D錯誤．(2)根據(jù)逐差法得a＝eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1，9T2）≈0。34m/s2.（3）由圖線①可知，當(dāng)F＝0時，a≠0，也就是說當(dāng)細線上沒有拉力時小車就有加速度，所以圖線①是軌道傾斜情況下得到的，根據(jù)F＝ma得a。F圖象的斜率k＝eq\f(1，m），由a。F圖象得圖象斜率k＝2，所以m＝0。5kg.【答案】(1)BC（2)0。34（3)①0。5高分技法（1)實驗操作步驟注意事項：①平衡小車的滑動摩擦力時，砂桶不能拴在小車上；②改變小車質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力；③實驗過程中,應(yīng)先接通電源,再放開小車．(2）實驗原理的理解：①平衡小車摩擦力后，細線的拉力即為小車所受的合外力；②只有滿足砂桶及桶內(nèi)砂的總質(zhì)量遠小于小車和小車上砝碼的總質(zhì)量時，細線的拉力大小才近似等于砂桶及桶內(nèi)砂的總重力．1．在“探究加速度與小車質(zhì)量關(guān)系”實驗中，實驗小組采用如圖所示的裝置．M表示小車及砝碼的總質(zhì)量，m表示砂桶及砂的總質(zhì)量．（1）為使實驗中小車所受合外力等于細線的拉力,應(yīng)采取的措施是平衡摩擦力且使細線與木板平行;為使細線對小車的拉力大小近似等于砂桶和砂的重力mg，應(yīng)控制的實驗條件是M?m.（2)在控制砂桶和砂的質(zhì)量一定的情況下，該實驗小組測得的實驗數(shù)據(jù)如下表所示,為了直觀反映加速度與小車及砝碼總質(zhì)量的關(guān)系,請在方格坐標(biāo)圖中選取恰當(dāng)?shù)奈锢砹拷⒆鴺?biāo)系，并作出相應(yīng)的圖象，根據(jù)圖象判斷，實驗產(chǎn)生誤差的最主要原因是該實驗中沒有滿足小車（含砝碼）的質(zhì)量遠大于砂和砂桶的總質(zhì)量.次數(shù)小車及砝碼的總質(zhì)量M/g加速度a/(m·s－2)eq\f（1,M)/kg－112001.915。0022501.714。0033001。503。3343501。362。8654001。122。5064501。002。2275000。902。00解析：（1）小車受到重力、細線的拉力、支持力和摩擦力，要使細線的拉力等于小車所受的合力，則應(yīng)該用小車重力沿木板向下的分量來平衡摩擦力，所以應(yīng)采取的措施是平衡摩擦力,且要求細線與木板平行；該實驗中,根據(jù)牛頓第二定律，以小車（含砝碼)及砂和砂桶整體為研究對象，有mg＝(m＋M）a，解得a＝eq\f(mg,M＋m)，則細線的拉力F＝eq\f（mMg,m＋M），即當(dāng)m?M時,細線對小車的拉力大小近似等于砂桶和砂的重力mg，所以應(yīng)控制M?m。(2）描點作圖如圖所示．砂和砂桶的總質(zhì)量沒有遠小于小車（含砝碼)的質(zhì)量，導(dǎo)致a與eq\f（1，M)不成正比，a。eq\f（1,M)圖線發(fā)生彎曲,不再是直線．答案：如解析圖命題點2實驗拓展創(chuàng)新題型1實驗情境創(chuàng)新利用位移傳感器與計算機相連,直接得出小車的加速度．1．用光電門代替打點計時器,結(jié)合遮光條的寬度可測滑塊的速度．2．利用氣墊導(dǎo)軌代替長木板，無需平衡摩擦力．3．由力傳感器測滑塊受到的拉力,無需滿足m?M。為了探究物體質(zhì)量一定時加速度與力的關(guān)系，甲、乙同學(xué)設(shè)計了如圖所示的實驗裝置，其中M為小車的質(zhì)量,m為砂和砂桶的總質(zhì)量，m0為滑輪的質(zhì)量．力傳感器可測出輕繩中的拉力大?。?）實驗時，一定要進行的操作是________．A．用天平測出砂和砂桶的總質(zhì)量B．將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力C．小車靠近打點計時器，先接通電源,再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄力傳感器的示數(shù)D．為減小誤差,實驗中一定要保證砂和砂桶的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M（2)甲同學(xué)在實驗中得到如圖所示的一條紙帶（兩計數(shù)點間還有四個點沒有畫出)，已知打點計時器采用的是頻率為50Hz的交流電，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度為________m/s2（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）．(3)甲同學(xué)以力傳感器的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，加速度a為縱坐標(biāo)，畫出的a.F圖線是一條直線，如圖(a)所示,圖線與橫坐標(biāo)的夾角為θ，求得圖線的斜率為k，則小車的質(zhì)量M＝________。A。eq\f（1，tanθ） B。eq\f(1，tanθ）－m0C.eq\f（2，k）－m0 D.eq\f(2，k）(4）乙同學(xué)根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出如圖（b）所示的a-F圖線，該同學(xué)做實驗時存在的問題是____________．【解析】(1)驗證牛頓第二定律的實驗原理是F＝Ma，本題繩中拉力可以由力傳感器測出，不需要用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量,也就不需要使砂和砂桶的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M，A、D錯誤；用力傳感器測量繩子的拉力,則力傳感器示數(shù)的2倍等于小車受到的合外力大小，需要平衡摩擦力，B正確；釋放小車之前應(yīng)先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放小車，該實驗還需要記錄力傳感器的示數(shù)，C正確．(2）由逐差法計算加速度a＝eq\f（x34＋x45＋x56－x01＋x12＋x23，3T2)＝2。00m/s2.（3）對小車與滑輪組成的系統(tǒng),由牛頓第二定律得a＝eq\f（2,m0＋M)F,圖線的斜率為k，則k＝eq\f（2，m0＋M），故小車的質(zhì)量M＝eq\f（2，k）－m0，故選項C正確．(4）圖線在F軸上的截距不為零,說明力傳感器顯示有拉力時，小車仍然靜止,這是沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠造成的．【答案】(1)BC(2）2。00(3)C(4）沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠2．某同學(xué)用如圖甲所示的實驗裝置探究加速度與力的關(guān)系．他在氣墊導(dǎo)軌旁安裝了一個光電門B，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，力傳感器可直接測出細線中拉力大小,傳感器下方懸掛鉤碼．改變鉤碼數(shù)量，每次都從A處由靜止釋放滑塊．已知滑塊(含遮光條)總質(zhì)量為M，導(dǎo)軌上遮光條位置到光電門位置的距離為L。請回答下列相關(guān)問題．(1）如圖乙,實驗時用游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度為d＝0。950cm.某次實驗中，由數(shù)字毫秒計記錄遮光條通過光電門的時間為t，由力傳感器記錄對應(yīng)的細線拉力大小為F，則滑塊運動的加速度大小應(yīng)表示為a＝eq\f(d2,2Lt2）(用題干已知物理量和測得物理量字母表示）．（2）下列實驗要求中不必要的是A。A．應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量B．應(yīng)使遮光條位置與光電門間的距離適當(dāng)大些C．應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)至水平D．應(yīng)使細線與氣墊導(dǎo)軌平行解析：（1）游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為9mm，游標(biāo)尺上第10個刻度和主尺上某一刻度對齊,所以游標(biāo)讀數(shù)為10×0.05mm＝0.50mm,所以最終讀數(shù)為:9mm＋0.50mm＝9.50mm＝0。950cm；已知初速度為零，位移為L，要計算加速度，需要知道末速度，故需要由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門B的時間t,末速度v＝eq\f（d，t）。由v2＝2aL，得a＝eq\f（v2,2L）＝eq\f（d2,2Lt2).（2)拉力是直接通過傳感器測量的,故與滑塊質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無關(guān),故A錯誤．應(yīng)使遮光條位置與光電門間的距離適當(dāng)大些，有利于減小誤差，故B正確．應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，才能使拉力等于合力，故C正確．要保持細線方向與氣墊導(dǎo)軌平行，拉力才等于合力，故D正確．本題選擇不必要的，故選A.題型2實驗?zāi)康膭?chuàng)新（2019·全國卷Ⅱ)如圖(a),某同學(xué)設(shè)計了測量鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)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(shù)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)．（2)某次實驗時，調(diào)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(fù)后選擇點跡清晰的一條紙帶，如圖（b)所示．圖中的點為計數(shù)點(每兩個相鄰的計數(shù)點間還有4個點未畫出)．重力加速度為9。80m/s2?？梢杂嬎愠鲨F塊與木板間的動摩擦因數(shù)為________(結(jié)果保留2位小數(shù)）．【解析】(1）對鐵塊受力分析，由牛頓第二定律有mgsinθ－μmgcosθ＝ma，解得μ＝eq\f（gsinθ－a,gcosθ).（2)兩個相鄰計數(shù)點之間的時間間隔T＝5×eq\f（1,50）s＝0.10s，由逐差法和Δx＝aT2，可得a＝1。97m/s2，代入μ＝eq\f(gsinθ－a,gcosθ），解得μ＝0.35?！敬鸢浮浚?)eq\f（gsinθ－a,gcosθ)（2)0。35高分技法求解動摩擦因數(shù)的常用方法利用平衡條件求解當(dāng)物體處于平衡狀態(tài)時，可以結(jié)合平衡條件得出滑動摩擦力f和壓力FN的大小，然后根據(jù)μ＝eq\f(f，F(xiàn)N)求解利用動力學(xué)規(guī)律求解通常是先根據(jù)打點計時器打出的紙帶求出加速度（或先由光電門測出任意兩點的速度,然后根據(jù)運動學(xué)規(guī)律求出加速度），再根據(jù)F－f＝ma結(jié)合f＝μFN求解μ利用動能定理求解通常是先根據(jù)動能定理找出物體間的滑動摩擦力大小，然后根據(jù)f＝μFN求解μ利用功能關(guān)系求解一般是先根據(jù)摩擦產(chǎn)生的熱量f·d＝ΔE損(其中d是兩物體間的相對路程），計算出兩物體間滑動摩擦力的大小，然后結(jié)合f＝μFN求解μ3．甲、乙兩同學(xué)均設(shè)計了測量動摩擦因數(shù)的實驗．已知重力加速度為g.(1)甲同學(xué)設(shè)計的實驗裝置如圖甲所示，其中A為置于水平面上的質(zhì)量為M的長直木板，B為木板上放置的質(zhì)量為m的物