第四章 专题强化15 实验：验证牛顿第二定律（配套课件PPT）-【步步高】2025-2026学年高一物理必修第一册学习笔记（人教版 提高A版）

该高中物理课件聚焦“验证牛顿第二定律”实验，通过实验问题导入，衔接牛顿第二定律基础概念，搭建从理论到实验验证的学习支架，涵盖实验方法、误差分析及数据处理等核心内容。 其亮点在于融入科学思维与科学探究，通过a-F图像弯曲原因分析等典型问题培养科学推理能力，结合逐差法计算加速度强化数据处理技能，选用各地期末真题实例。助力学生深化运动与相互作用观念，提升实验探究能力，教师可直接用于教学，提高课堂效率。

第 四 章 实验：验证牛顿第二定律 专题强化15 1.进一步理解探究加速度与力、质量的关系的实验方法(重点)。 2.会利用牛顿第二定律分析实验数据和实验误差(难点)。 学习目标 1.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，为什么当槽码质量远小于小车质量时，绳子的拉力接近于槽码的重力？ 答案　对小车有FT=Ma 对槽码有mg-FT=ma 则mg-FT=m， mg=FT(1+) 故当M≫m时，FT=mg。 2.当小车质量一定时，若由实验数据得到a-F图像如图所示，请分析图像发生弯曲的原因。 答案　小车的加速度a==F，a-F图像的斜率 k=，当不满足M≫m时，随着m增大，斜率减小，图像会向下弯曲，故图像发生弯曲的原因是随着F的增大，不再满足小车质量远大于槽码质量。 　(2025·宁德市高一期末)用如图(a)所示实验装置探究质量一定时，加速度与力的关系。 (1)打点计时器的工作电源为　　　(选填“直流”或“交流”)电源。 例1 交流 打点计时器的工作电源为交流电源。 (2)在本实验中，下列操作正确的是　　。 A.平衡摩擦力时应移去打点计时器和纸带 B.小车靠近打点计时器，应先释放小车， 再接通电源 C.为使沙和沙桶的重力近似等于小车受到 的拉力，应保证沙和沙桶的质量m远小于小车的质量M C 在平衡摩擦力时，要移去沙和沙桶，让小车拖动穿过打点计时器的纸带一起匀速运动，故A错误； 小车靠近打点计时器，应先接通电源，再释放小车，故B错误； 小车的总质量应该远大于牵引小车的沙和沙桶质量，这样可以认为小车受到的拉力等于所挂沙和沙桶的重力，故C正确。 (3)实验中，打出的一条纸带的部分计数点如图(b)所示，每相邻两个计数点间的时间间隔为0.1 s，其中x1=4.62 cm，x2=5.11 cm，x3=5.58 cm，x4=6.12 cm，x5=6.58 cm，x6=7.13 cm，则小车的加速度大小a为　 m/s2 (结果保留2位有效数字)。 0.50 根据逐差法可知a= = m/s2≈0.50m/s2 (4)某同学在实验中测得多组数据，并以小车的加速度a为纵坐标，小车所受拉力F为横坐标，画出a-F的图线如图(c)。由图可知，一定质量的小车，其加速度与所受的合力成正比。若图线斜率为k，则小车的 质量为　　。 根据牛顿第二定律有a= 则k=，解得M=。 　(2024·无锡市高一期末)某班学习小组用如图实验装置“探究加速度与力、质量的关系”。 例2 为了减小实验误差，使得细线的拉力等于合外力，需要先平衡阻力，故需要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，撤去沙和小桶，给打点计时器通电，轻推小车，由打出的纸带来判断小车是否做匀速运动。故选B。 (1)如图是实验时平衡阻力的情形，其中正确的是　　(选填字母)。 B (2)利用测量数据可得到小车质量M一定时，小车运动的加速度a和所受拉力F(F=mg，m为沙和小桶的总质量，g为当地重力加速度)的关系图像如图所示。拉力F较大时，a-F图线明显弯曲，若不断增加小桶中沙的质量，a-F图像中各点连成的曲线将不断延伸，那么加速度a的趋向值为　　(用题中出现的物理量表示)，为避免a-F图线出现弯曲，可采取的措施是　　。 A.测小车的加速度时，利用速度传感器代替纸带和打点计时器 B.在增加桶内沙子质量的同时，在小车上增加砝码，确保沙 和小桶的总质量始终远小于小车和砝码的总质量 C.将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上， 用力传感器读数代替沙和小桶的重力 D.实验次数不变，每次增加桶内沙子的质量时，增幅小一点 g C 若不断增加小桶中沙的质量，a-F图像中各点连成的曲线将不断延伸，当沙和沙桶的质量无限大时，沙和沙桶将近似做自由落体运动，所以加速度a的趋向值为g。 为避免a-F图线出现弯曲，又由于本实验研究的是加速度与力的关系，故需要保证小车的总质量不变。可采取的简便有效方法是准确测出小车所受的拉力，即将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替沙和小桶的重力，继而直接测出小车所受拉力，故选C。 　(2024·柳州市高一联考)用如图甲所示的实验装置探究“加速度与力、质量的关系”。 (1)实验中，以沙和桶的总重力作为小车 例3 所受合外力，须满足沙和沙桶的总质量　　　(填“远大于”或“远小于”或“等于”)小车的质量。 远小于 对小车，根据牛顿第二定律有F=Ma 对沙和沙桶，根据牛顿第二定律有mg-F=ma 联立解得a= 则细线拉力为F=Ma=mg= 可知当满足沙和沙桶的总质量远小于小车的质量时，细线对小车的拉力F近似等于沙和沙桶的总重力。 (2)某同学实验时忘记平衡阻力，在保持小车质量不变的情况下，改变沙的重力，作出小车的加速度a随小车所受拉力F变化的图像如图乙所示，已知图像中直线的纵截距的绝对值为b，斜率为k，则小车的质量 为　　，小车受到的摩擦力大小为　　。 　 某同学实验时忘记平衡阻力，在保持小车质量不变的情况下，以小车为研究对象，根据牛顿第二定律有F-Ff=Ma 可得a= F- 由a-F图像可得=k，-=-b 解得小车的质量为M= 小车受到的摩擦力大小为Ff=。 　(2025·重庆市高一期末)用如图甲所示的实验装置来探究加速度与质量、合外力的关系。在探究质量一定，加速度与合外力的关系时，用沙和沙桶拉动小车运动。 (1)本实验　　 　(选填“需要”或“不需 例4 要”)满足“沙和沙桶的总质量远小于小车的质量”；　　　(选填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力。 不需要 需要 力传感器可以测量绳子拉力，不需要满足“沙和沙桶的总质量远小于小车的质量”；根据实验原理依然需要平衡摩擦力。 (2)在一次实验操作中，获得如图乙所示的纸带，其中相邻两计数点间均有四个点未画出，所用交流电源的频率为50 Hz，由纸带可求得小车运动的加速度大小a=　　 m/s2(计算结果保留三位有效数字)。 2.86 相邻两计数点间均有四个点未画出，则T=5×=5× s=0.1 s 根据逐差法可知a==×10-2 m/s2≈ 2.86 m/s2 (3)①如图丙所示，小芳与小刚在实验中都做了a-F图线(a表示小车加速度，F表示拉力传感器的示数)，但两者的图像有差异。则小芳所得图线不过原点的原因可能是　　 　　　　　　　。 未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足 由题图丙可知F≠0时a=0，图线不过原点的原因可能是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。 ②已知小刚所作图线的斜率为k，则小刚所用小车的质量为　　。  根据牛顿第二定律有2F=Ma 可得a=F 则k= 解得M=。 专题强化练 对一对 答案 1 2 3 4 5 题号 1 2 3 答案 (1)CD　(2)0.51　(3)1　0.5　(4)随着F的增大，沙和沙桶的总质量不满足远小于小车和砝码的总质量 (1)1.0　0.54　(2)不需要　(3)0.8　0.05 (1)不悬挂　(2)B　(3)D 题号 4 5 答案 (1)AD　(2)2.0　(3)　 (4)平衡阻力过度，木板的倾角过大 (1)不需要　(2)mg　(3)3.9　(4)1.0 1.(2024·济宁市高一期末)某同学用电火花计时器等器材设计了一个“探究加速度与力、质量的关系”的实验，装置如图甲所示，图甲中沙和沙桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M。 (1)关于该实验，下列说法正确的是　　。 A.图甲中的电源插头应与8 V交流电源连接 B.实验时应先释放小车，再接通电源 C.应使小车从靠近打点计时器的位置释放 D.用“平衡阻力法”平衡阻力时，不需要悬挂沙桶 1 2 3 4 5 答案 CD 23 电火花计时器使用的是交流电源，它的工作电压通常是220 V，题图甲中的电源插头应与220 V交流电源连接，故A错误； 实验时，应先给打点计时器通电打点，然后释放小车让纸带(随小车)开始运动，如果先释放小车，再接通打点计时器的电源，由于小车运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故B错误； 在释放小车前，小车应尽量靠近打点计时器，这样可以充分利用纸带，在纸带上打出更多的点，有利于实验数据的处理和误差的减小，故C正确； 平衡阻力的方法是不挂沙和沙桶，让小车与纸带相连，垫高木板右侧直到轻推小车，小车在斜面上恰好做匀速直线运动，故D正确。 1 2 3 4 5 答案 (2)若电源的频率为50 Hz，图乙为某次实验得到的纸带(每相邻两个计数点间还有四个点图中未画出)，根据纸带可求出小车的加速度大小为____m/s2 (结果保留两位有效数字)。 1 2 3 4 5 答案 0.51 根据Δx=aT2，运用逐差法得a= m/s2=0.51 m/s2 25 (3)某同学在轨道水平的情况下做了该实验，用沙和沙桶的重力代替绳子的拉力F，得到了如图丙所示的a-F图线。则小车和砝码的总质量M为 　　 kg，小车所受的阻力为　　 N。 1 2 3 4 5 答案 1 0.5 26 某同学在轨道水平的情况下做了该实验，由牛顿第二定律有a== F - 由题图丙可知=1 kg-1 则小车和砝码的总质量为M=1 kg 又有-=-0.5 m/s2 解得小车所受的阻力为Ff=0.5 N。 1 2 3 4 5 答案 (4)绘出的a-F关系图像，其右端弯曲的原因是 ____________________________________________________________。 1 2 3 4 5 答案 随着F的增大，沙和沙桶的总质量不满足远小于小车和砝码的总质量 右端发生弯曲的原因是随着F的增大，沙和沙桶的总质量不满足远小于小车和砝码的总质量。 28 2.(2024·云南省红河高一期末)某同学用如图甲所示装置测量滑块与水平桌面间的动摩擦因数，重力加速度g取10 m/s2。 (1)在沙桶中放入适量细沙，接通电源，由静止释放滑块，打出一条纸带。从比较清晰的点迹起，每5个点取1个计数点，在纸带上连续标出5个计数点A、B、C、D、E，测出各计数点到A点之间的距离，如图乙所示。电源频率为50 Hz，则滑块运动的加速度a=　　 m/s2，C点的速度vC=　　 m/s(结果均保留两位有效数字)。 1.0 0.54 1 2 3 4 5 答案 1 2 3 4 5 答案 由于每5个点取1个计数点，则相邻两计数点之间的时间间隔为T=5× s =0.1 s 根据逐差法可知，加速度为 a= m/s2≈1.0 m/s2 匀变速直线运动全程的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，则有 vC= m/s≈0.54 m/s (2)本题中沙桶和沙的总质量m　　　　(选填“需要”或“不需要”)远小于滑块与动滑轮的总质量M。 1 2 3 4 5 答案 不需要 实验中，利用力传感器测出轻绳的拉力F，滑块所受外力的合力等于2F与摩擦力之差，并没有用沙桶和沙的总重力表示绳的拉力，可知，实验中沙桶和沙的总质量m不需要远小于滑块与动滑轮的总质量M。 (3)多次改变沙桶中沙的质量，重复实验，测得多组滑块运动的加速度a及对应的力传感器示数F，以a为纵坐标、F为横坐标描点得到如图丙所示的a-F图像。由图中数据可知，滑块和动滑轮的总质量M=　　 kg，滑块与桌面间的动摩擦因数μ=　　 。 1 2 3 4 5 答案 0.8 0.05 1 2 3 4 5 答案 结合上述，利用牛顿第二定律有 2F-μMg=Ma 则有a=-μg 结合题图丙有= kg-1，-μg=-0.5 m/s2 解得M=0.8 kg，μ=0.05 3.(2024·长春外国语学校高一月考)在探究“质量一定时，物体的加速度a与所受合力F的关系”的实验时，所需实验器材及安装示意图如图所示： 1 2 3 4 5 答案 (1)为了沙和沙桶的重力近似等于小车受到的合外力F，首先要用木块将长木板的右侧垫高来平衡阻力。在左侧　　 　(选填“悬挂”或“不悬挂”)沙桶的情况下，给小车一初速度，通过观察小车经过两个光电门的时间来判断是否正确完成了该操作。 不悬挂 平衡阻力时，应不悬挂沙桶，用木块将长木板的右侧垫高来平衡阻力，使小车受到的摩擦力与重力的下滑分力平衡。 1 2 3 4 5 答案 (2)在改变沙子质量时，需确保小车(含遮光片)的质量　　沙和沙桶的质量。 A.略小于　 B.远大于　 C.略大于　 D.远小于 1 2 3 4 5 答案 B 本实验认为小车受到的合外力等于沙和沙桶的重力，设小车(含遮光片)质量为M，沙和沙桶的质量为m，根据牛顿第二定律mg=(M+m)a 对小车FT=Ma 整理得FT= 当小车(含遮光片)的质量远大于沙和沙桶总质量时，可认为细线对小车的作用力近似等于沙和沙桶的总重力。 1 2 3 4 5 答案 (3)某同学在沙和沙桶的质量不变的情况下，多次改变小车静止释放点到光电门2的距离x，记录小车通过光电门2的时间t，利用所 测数据作出x-图像，求得其斜率 1 2 3 4 5 答案 为k，已知遮光片宽度为d，则小车的加速度为　　。 A.2kd B. C.kd2 D. D 由于遮光片宽度较小，用通过光电门的平均速度代替瞬时速度，即为v = 则根据速度与位移关系可知=2ax 则x=· 则x-图像斜率k= 即a=，故选D。 1 2 3 4 5 答案 1 2 3 4 5 答案 4.(2024·聊城市高一期末)在“探究质量一定时加速度和力的关系”实验中，某同学设计了如图甲所示的实验装置。其中小车和动滑轮的总质量为M，沙和沙桶的总质量为m。一根轻绳跨过光滑定滑轮和动滑轮，轻绳的一端连接沙桶，另一端连接力传感器，力传感器可直接测出轻绳的拉力大小。 (1)在实验过程中，下列操作正确的是　　。 A.调整长木板左端的定滑轮，使得轻绳与长 木板平行 B.在不挂沙桶和纸带的前提下，将长木板带 有滑轮的一端垫高，以平衡阻力 C.小车应靠近打点计时器，先释放小车，再接通电源 D.实验中不需要保证M远大于m AD 调整长木板左端的定滑轮，使得轻绳与长木板平行，故A正确； 在不挂沙桶的前提下，将长木板不带有滑轮的一端垫高，以平衡阻力，故B错误； 为了充分利用纸带，小车应靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，故C错误； 由于可以通过力传感器测得轻绳拉力大小，所以实验中不需要保证M远大于m，故D正确。 1 2 3 4 5 答案 1 2 3 4 5 答案 (2)该同学在实验中得到一条如图乙所示的纸带，已知所用交流电源的频率是50 Hz，相邻两个计数点之间还有4个计时点未画出。根据纸带中的数据可求出小车的加速度为　　 m/s2(结果保留两位有效数字)。 2.0 相邻两个计数点之间还有4个计时点未画出，则相邻计数点的时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s 根据逐差法可得小车的加速度为a= = m/s2 ≈2.0 m/s2 1 2 3 4 5 答案 1 2 3 4 5 答案 (3)该同学以力传感器的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a-F图像是一条过原点的倾斜直线，已知图线的斜率 为k，则小车和动滑轮的总质量M=　　。 　 以小车和动滑轮为研究对象，根据牛顿第二定律可得2F=Ma，可得a= F 可知a-F图像的斜率为k= 解得小车和动滑轮的总质量为M= 1 2 3 4 5 答案 (4)该同学某次实验画出的a-F图像如图丙所示，请分析图像不过原点的原因：　　　　 　　　。 平衡阻力过度，木板的倾角过大 该同学某次实验画出的a-F图像如题图丙所示，由图像可知，当F=0时，小车已经有了一定的加速度，所以图像不过原点的原因是：平衡阻力过度，木板的倾角过大。 1 2 3 4 5 答案 5.某同学设计了如下实验方案用来“探究加速度与力、质量的关系”的实验： ①如图甲所示，将木板有定滑轮的一端垫起，将质量为M的滑块通过轻绳与带夹子的重锤相连，然后跨过定滑轮，重锤下夹一条纸带，穿过固定的打点计时器，调整木板倾角，直到向下轻推滑块后，滑块沿木板匀速运动。 ②如图乙所示，保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板上靠近定滑轮 处，取下轻绳和重锤，测出重锤质量为m，将滑块与纸带相连，使纸带穿过打点计时器，然后接通电源释放滑块，使滑块由静止开始加速运动。打点计时器使用的是频率为50 Hz的交流电源，打出的纸带如图丙所示，A、B、C、D、E是纸带上的五个计数点。 (1)该实验方案　　 　(选填“需要”或“不需要”)满足条件M≫m。 1 2 3 4 5 答案 (2)重力加速度为g，则滑块加速下滑时受到的合力大小为　　。 不需要 mg 滑块通过轻绳与带夹子的重锤相连，滑块匀速下滑，说明滑块重力沿斜面向下的分力和摩擦力之差等于重锤的重力大小，取下轻绳和重锤。滑块加速下滑受到的合力大小为mg，故该方案不需要满足条件M≫m。 (3)图乙中滑块下滑的加速度大小为　　 m/s2(结果保留两位有效数字)。 1 2 3 4 5 答案 3.9 T=0.02 s，充分利用纸带中数据，用逐差法可得 a=≈3.9 m/s2。 (4)某同学在保持滑块质量不变的情况下，通过多次改变滑块所受合力F，由实验数据作出的a-F图像如图丁所示，则滑块的质量为 　　 kg(结果保留两位有效数字)。 1 2 3 4 5 答案 1.0 由F=Ma可知，a-F图线的斜率表示滑块质量的倒数，由题图丁可得到滑块的质量约为1.0 kg。 第 四 章 本课结束 $