第三章 创新实验课04 验证牛顿运动定律-【高考领航】2023高考物理大一轮复习教师用书word（人教版）

实验基础知识 一、基本实验要求 1．实验目的 (1)学会用控制变量法研究物理规律． (2)验证牛顿第二定律． (3)掌握利用图象处理数据的方法． 2．实验原理 (1)保持质量不变，探究加速度与合外力的关系． (2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系． (3)作出a­F图象和a­图象，确定其关系． 3．实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺． 4．实验步骤 (1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m′和小车的质量m. (2)安装：按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)． (3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑． (4)操作： ①小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，断开电源，取下纸带编上号码． ②保持小车的质量m不变，改变小盘和砝码的质量m′，重复步骤①. ③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a. ④描点作图，作出a­F图象． ⑤保持小盘和砝码的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作出a­图象． 二、规律方法总结 1．数据处理 (1)利用Δx＝aT2及逐差法求a. (2)以a为纵轴，F为横轴建立坐标系，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比． (3)以a为纵轴，为横轴建立坐标系，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比． 2．注意事项 (1)平衡摩擦力：适当垫高木板没有定滑轮的一端，使小车的重力沿斜面方向上的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动． (2)不用重复平衡摩擦力． (3)实验条件：m≫m′. (4)一先一后一按：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车． 3．误差分析 (1)实验原理不完善：本实验用小盘和砝码的总重力m′g表示小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力． (2)摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差． 命题点一　实验原理与操作 　在“验证牛顿运动定律”实验中，采用如图所示的装置图进行实验． (1)(多选)对小车进行“平衡摩擦力”操作时，下列必须进行的是 (填字母序号)． A．取下沙和沙桶 B．在空沙桶的牵引下，轻推一下小车，小车能做匀速直线运动 C．小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时，打点计时器的电源应断开 D．把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度 (2)实验中，已经测出小车的质量为M，沙和沙桶的总质量为m，若要将沙和沙桶的总重力大小作为小车所受拉力F的大小，这样做的前提条件是 ． (3)(多选)在实验操作中，下列说法正确的是 ． A．求小车运动的加速度时，可用天平测出沙和沙桶的质量M′和m′，以及小车质量M，直接用公式a＝g求出 B．实验时，应先接通打点计时器的电源，再放开小车 C．每改变一次小车的质量，都需要改变垫入的小木块的厚度 D．先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持小车受力不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系 解析：(1)平衡摩擦力时使小车所受重力沿木板方向分力与小车所受摩擦力平衡，故A、D项正确，B项错误；为确定小车是否为匀速运动，需要通过纸带上点迹是否均匀来判断，故C项错误． (2)根据牛顿第二定律得，mg＝(M＋m)a，解得a＝，则绳子的拉力F＝Ma＝＝，可知当沙和沙桶的总质量远小于小车质量时，小车所受的拉力大小等于沙和沙桶的总重力，所以应满足的条件是沙和沙桶的总质量远小于小车的质量． (3)本实验是“验证牛顿运动定律”，所以不能把牛顿第二定律当成已知的公式来使用，故A错误；使用打点计时器时，应该先接通电源，后释放小车，故B正确；平衡摩擦力后有μ＝tan θ，小车质量改变时，总满足mgsin θ＝μmgcos θ，与小车质量无关，所以不用再次平衡摩擦力，故C错误；本实验采用控制变量法，故D正确． 答案：(1)AD　(2)沙和沙桶的总质量远小于小车的质量　(3)BD 1本实验存在系统误差.细绳的拉力小于沙和沙桶的重力，当沙和沙桶的质量远小于小车及其上的砝码总质量时，误差才可以忽略. 2为减小系统误差，可以在细绳上加上力传感器，这样就可以直接测出细绳的拉力，即滑块的合外力，不需要满足m≪M. [题组突破] 1．一同学用如图甲所示实验装置(打点计时器、纸带图中未画出)探究在水平固定的长木板上物体加速度随着外力