第5講實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

把握經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方案

一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)(1)平衡：平衡摩擦力(改變小車(chē)或鉤碼質(zhì)量，無(wú)需重新平衡摩擦力)。(2)質(zhì)量：鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量(若使用力傳感器，或以小車(chē)與鉤碼的系統(tǒng)為研究對(duì)象無(wú)需滿(mǎn)足此要求)。(3)要測(cè)量的物理量①小車(chē)與其上砝碼的總質(zhì)量(用天平測(cè)量)。②小車(chē)受到的拉力(約等于鉤碼的重力)。③小車(chē)的加速度(根據(jù)紙帶用逐差法或根據(jù)光電門(mén)數(shù)據(jù)計(jì)算加速度)。(4)其他：細(xì)繩與長(zhǎng)木板平行；小車(chē)從靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置釋放，在到達(dá)定滑輪前按住小車(chē)，實(shí)驗(yàn)時(shí)先接通電源，后釋放小車(chē)。續(xù)表

融通多彩實(shí)驗(yàn)方案

粵教版新教材——探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置圖[要點(diǎn)解讀]1．用氣墊導(dǎo)軌替代長(zhǎng)木板做實(shí)驗(yàn)，不用再平衡滑塊的摩擦力。2．利用光電門(mén)和數(shù)字計(jì)時(shí)器來(lái)計(jì)算滑塊通過(guò)光電門(mén)的速度。3．利用小桶內(nèi)加入橡皮泥來(lái)改變滑塊所受的合外力。4．共同的注意事項(xiàng)(1)保證細(xì)繩與長(zhǎng)木板或氣墊導(dǎo)軌平行。(2)滿(mǎn)足M?m，以確保細(xì)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(cè)量及其他數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確。②描點(diǎn)、連線(xiàn)不準(zhǔn)確。(2)系統(tǒng)誤差本實(shí)驗(yàn)用鉤碼或小桶和橡皮泥的重力作為細(xì)繩的拉力屬于實(shí)驗(yàn)原理不完善引起

的誤差。一、基礎(chǔ)考法保住分考查點(diǎn)(一)實(shí)驗(yàn)原理與操作1．某實(shí)驗(yàn)小組利用圖1所示的裝置驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律。(1)下列做法正確的是________(填字母代號(hào))。A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長(zhǎng)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(dòng)摩擦力時(shí)，將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上C．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開(kāi)木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源D．通過(guò)增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí)，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(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力，應(yīng)滿(mǎn)足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量________(選填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)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(xué)在同一實(shí)驗(yàn)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(méi)有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關(guān)系，分別得到圖2中甲、乙兩條直線(xiàn)。設(shè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)中細(xì)繩要保持與長(zhǎng)木板平行，A正確；平衡摩擦力時(shí)不能將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上，這樣無(wú)法平衡摩擦力，B錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源再放開(kāi)木塊，C錯(cuò)誤；平衡摩擦力后，改變木塊上的砝碼的質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力，D正確。答案：(1)AD

(2)遠(yuǎn)小于(3)<

>[關(guān)鍵點(diǎn)撥](1)長(zhǎng)木板上滑輪的高度可以調(diào)節(jié)，以使?fàn)恳≤?chē)(木塊)的細(xì)繩與長(zhǎng)木板保持平行。(2)平衡摩擦力：平衡摩擦力時(shí)，要調(diào)出一個(gè)合適的斜面，使小車(chē)(木塊)的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車(chē)(木塊)受的摩擦阻力。此時(shí)，不要把懸掛砝碼桶的細(xì)繩系在小車(chē)(木塊)上，即不要給小車(chē)(木塊)加任何牽引力，要讓小車(chē)(木塊)拖著紙帶運(yùn)動(dòng)。(3)實(shí)驗(yàn)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(chē)(木塊)受到的拉力。(4)一先一后：改變拉力和小車(chē)(木塊)質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)(木塊)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，后放開(kāi)小車(chē)(木塊)，且應(yīng)在小車(chē)(木塊)到達(dá)滑輪前按住小車(chē)(木塊)。(5)如果沒(méi)有平衡摩擦力，則其a-F圖線(xiàn)將不是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，而是一條與F軸有交點(diǎn)的傾斜直線(xiàn)?？疾辄c(diǎn)(二)數(shù)據(jù)處理和誤差分析2．某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖1所示的裝置“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”。(1)實(shí)驗(yàn)中除了需要小車(chē)、砝碼、托盤(pán)、細(xì)繩、附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、兩根導(dǎo)線(xiàn)、復(fù)寫(xiě)紙、紙帶之外，還需要________、________。答案：(1)天平刻度尺(2)反比過(guò)大(3)①

0.5二、創(chuàng)新考法不失分創(chuàng)新角度(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新1．兩位同學(xué)采用如圖所示的裝置測(cè)定物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，他們使物塊在重物的牽引下由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重物落地后，物塊再運(yùn)動(dòng)一段距離后停在水平桌面上，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶記錄物塊的運(yùn)動(dòng)。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，甲同學(xué)測(cè)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(diǎn)跡清晰的紙帶測(cè)量，計(jì)算出物塊加速過(guò)程中的加速度大小為a；已知重力加速度為g，甲同學(xué)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(dòng)摩擦因數(shù)表達(dá)式為μ＝________(用M、m、a、g表示)。(2)如圖所示為乙同學(xué)選取的一段紙帶，1、2、3、4、5是他選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)點(diǎn)未畫(huà)出。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源的頻率為50Hz，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮?.8m/s2。利用紙帶測(cè)得的數(shù)據(jù)可求出該物塊減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度大小a＝____m/s2，物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝______。(計(jì)算結(jié)果均保留到小數(shù)點(diǎn)后2位)[創(chuàng)新點(diǎn)分析](1)根據(jù)測(cè)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(dòng)摩擦因數(shù)。(2)重物落地后，物塊水平方向只受滑動(dòng)摩擦力作用做勻減速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

2．(2022·山東等級(jí)考)在天宮課堂中，我國(guó)航天員演示了利用牛頓第二定律測(cè)量物體質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)。受此啟發(fā)，某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌、力傳感器、無(wú)線(xiàn)加速度傳感器、輕彈簧和待測(cè)物體等器材設(shè)計(jì)了測(cè)量物體質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，如圖甲所示。主要步驟如下：①將力傳感器固定在氣墊導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)時(shí)滑塊左端位于O點(diǎn)。A點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為5.00cm，拉動(dòng)滑塊使其左端處于A(yíng)點(diǎn)，由靜止釋放并開(kāi)始計(jì)時(shí)；④計(jì)算機(jī)采集獲取數(shù)據(jù)，得到滑塊所受彈力F、加速度a隨時(shí)間t變化的圖像，部分圖像如圖乙所示?；卮鹨韵聠?wèn)題(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)：(1)彈簧的勁度系數(shù)為_(kāi)_______N/m。(2)該同學(xué)從圖乙中提取某些時(shí)刻F與a的數(shù)據(jù)，畫(huà)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_(kāi)_______kg。(3)該同學(xué)在滑塊上增加待測(cè)物體，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，在圖丙中畫(huà)出新的a-F圖像Ⅱ，則待測(cè)物體的質(zhì)量為_(kāi)_______kg。[創(chuàng)新點(diǎn)分析]

(1)利用牛頓第二定律測(cè)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(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新3．某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律。實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊在細(xì)線(xiàn)拉力的作用下沿軌道運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，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(shí)間的變化規(guī)律。(1)實(shí)驗(yàn)中________(填“需要”或“不需要”)重物的質(zhì)量m與滑塊的質(zhì)量M滿(mǎn)足M?m。(2)如果滑塊的位移與時(shí)間的關(guān)系式為x＝0.6t2，則滑塊的加速度a＝________m/s2。(3)用正確的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出a-F圖線(xiàn)如圖乙所示。由圖中的a-F圖線(xiàn)可知滑塊受到的摩擦力大小為_(kāi)_______N。[創(chuàng)新點(diǎn)分析](1)利用位移傳感器得出滑塊的位移隨時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)而得出滑塊的加速度。(2)利用力傳感器測(cè)出滑塊受到細(xì)線(xiàn)拉力大小。

答案：(1)不需要(2)1.2

(3)0.4創(chuàng)新角度(三)實(shí)驗(yàn)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(guān)系。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。(1)實(shí)驗(yàn)步驟如下：第1步：把長(zhǎng)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(mén)固定在木板上，且光電門(mén)1和2距離較遠(yuǎn)，光電門(mén)1距離小滑塊(帶遮光條)比較近。第2步：通過(guò)調(diào)整沙桶內(nèi)細(xì)沙的質(zhì)量，直至給小滑塊一個(gè)沿木板向下的初速度，小滑塊勻速下滑，即觀(guān)察到遮光條通過(guò)兩光電門(mén)的時(shí)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(guò)光電門(mén)2的時(shí)間t，同時(shí)測(cè)量出沙桶(包括里面的細(xì)沙)質(zhì)量m。第4步：改變墊塊的位置，重復(fù)第2、3兩步。(2)在實(shí)驗(yàn)步驟第3步中，小滑塊通過(guò)光電門(mén)2的速度為_(kāi)_______；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_(kāi)_______。(用題中所給的字母表示)。(3)設(shè)小滑塊(包括遮光條)質(zhì)量為M，小滑塊釋放點(diǎn)到光電門(mén)2距離為x，若關(guān)系式m＝________成立，可得質(zhì)量一定時(shí)，加速度與合外力成正比。[創(chuàng)新點(diǎn)分析](1)利用光電門(mén)測(cè)滑塊的速度。(2)通過(guò)調(diào)整沙桶內(nèi)細(xì)沙的質(zhì)量，使小滑塊勻速下滑，從而得到滑塊單獨(dú)下滑時(shí)的合外力。(3)根據(jù)m的關(guān)系式判斷加速度與合外力的關(guān)系。

創(chuàng)新角度(四)跨實(shí)驗(yàn)的交匯考查5．(2022·浙江6月選考·節(jié)選)(1)“探究小車(chē)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，長(zhǎng)木板水平放置，細(xì)繩與長(zhǎng)木板平行。圖2是打出紙帶的一部分，以計(jì)數(shù)點(diǎn)O為位移測(cè)量起點(diǎn)和計(jì)時(shí)起點(diǎn)，則打計(jì)數(shù)點(diǎn)B時(shí)小車(chē)位移大小為_(kāi)_______cm。由圖3中小車(chē)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，求得加速度為_(kāi)_______m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。(2)利用圖1裝