实验4：探究牛顿第二定律

2021届高考物理必考实验四：验证牛顿第二定律1.实验原理(1)保持质量不变,探究加速度与合力的关系。

(2)保持合力不变,探究加速度与质量的关系。

(3)作出a-F图象和a-图象,确定其关系。

2.实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。

3.实验步骤(1)测量:用天平测量小盘和砝码的质量m',小车的质量m。

(2)安装:按照如图所示的装置把实验器材安装好,但是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(不给小车牵引力)。

(3)平衡摩擦力:在长木板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在小车上,先接通电源,后放开小车,打点结束后先断开电源,再取下纸带。

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,以m'g作为拉力F,作出a-F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。

4.数据分析(1)利用Δx=aT2及逐差法求a。

(2)以a为纵坐标,F为横坐标,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为纵坐标,为横坐标,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。

5.注意事项(1)平衡摩擦力:适当垫高木板的右端,使小车的重力沿斜面方向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。

【最新高考真题解析】1.（2020年北京卷）在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中，做如下探究：（1）为猜想加速度与质量的关系，可利用图1所示装置进行对比实验。

实验四： 验证牛顿运动定律, 注意事项1．平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，且要让小车拖着纸带匀速运动。

2．实验条件：小车的质量M 远大于小盘和砝码的总质量m 。

3．操作要领：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达定滑轮前按住小车。

误差分析1．因实验原理不完善引起误差。

以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg ＝(M ＋m )a ；以小车为研究对象得F ＝Ma ；求得F ＝M M ＋m ·mg ＝11＋m M·mg ＜mg ，本实验用小盘和砝码的总重力mg 代替小车的拉力，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。

考点一 教材原型实验考向1 实验原理与实验操作(2019·广东实验中学月考改编)某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。

(1)实验中除了需要小车、砝码、托盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、两根导线、复写纸、纸带之外，还需要________、________。

(2)下列做法正确的是________。

A ．调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行B ．在调节木板倾斜角度平衡小车受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的托盘通过定滑轮拴在小车上C ．实验时，先放开小车再接通打点计时器的电源D ．通过增减小车上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度E ．用托盘和盘内砝码的重力作为小车和车上砝码受到的合外力，为减小误差，实验中一定要保证托盘和砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量(3)某同学以小车和车上砝码的总质量的倒数1M为横坐标，小车的加速度a 为纵坐标，在坐标纸上作出的a -1M关系图线如图甲所示。

实验四　验证牛顿第二定律（解析版）1.实验原理 (1)保持质量不变,探究加速度与合力的关系。

(2)保持合力不变,探究加速度与质量的关系。

(3)作出a-F 图象和a-图象,确定其关系。

1m 2.实验器材 打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。

3.实验步骤 (1)测量:用天平测量小盘和砝码的质量m',小车的质量m 。

(2)安装:按照如图所示的装置把实验器材安装好,但是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(不给小车牵引力)。

(3)平衡摩擦力:在长木板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在小车上,先接通电源,后放开小车,打点结束后先断开电源,再取下纸带。

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,以m'g 作为拉力F ,作出a-F 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。

1m4.数据分析 (1)利用Δx=aT 2及逐差法求a 。

(2)以a 为纵坐标,F 为横坐标,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 为纵坐标,为横坐标,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。

1m 5.注意事项 (1)平衡摩擦力:适当垫高木板的右端,使小车的重力沿斜面方向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。

牛顿第二定律 测加速度 原理及变化一、实验目的1．会用控制变量法探究加速度a 与合力F 、质量M 的关系；2．掌握利用图像法处理实验数据的方法．二、实验器材一端有定滑轮的长木板、刻度尺、复写纸片和纸带、小车、盘、重物、电磁打点计时器、天平、砝码、托盘、导线．考点一 实验原理与实验操作本实验利用盘及盘中重物通过细绳牵引小车做加速运动的方法研究加速度a 与力F 、质量M 的关系．实验时采用控制变量法，共分两步研究：第一步，保持小车的质量不变，改变盘中重物的质量，测出相应的a ，验证a 与F 的关系；第二步，保持盘中重物的质量不变，改变小车上砝码的质量，测出小车运动的加速度a ，验证a 与M 的关系．实验应测量的物理量有：(1)小车及车上砝码的总质量M ：用天平测出．(2)小车受到的拉力F ：拉力近似等于盘和重物的总重力mg (盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量)．(3)小车的加速度a ：通过打点计时器打出纸带，由a ＝a 1＋a 2＋a 33＝x 6＋x 5＋x 4－x 3－x 2－x 19T 2计算出． 在“用DIS 探究牛顿第二定律”的实验中，装置如图S4­1(a)所示．(1)本实验是通过改变钩码质量来改变对小车的拉力，通过增加小车上的配重片来改变小车的质量，通过位移传感器测得小车的v -t 图像，通过求解斜率小车的加速度．(a) (b)图S4­1(2)图(b)为小车所受作用力不变时实验所得的a -1M 图像，从图像上可以看到直线不过原点，其原因是BD ．A ．钩码质量过大B ．轨道倾斜，左端偏高C ．轨道倾斜，右端偏高D ．小车与轨道间的摩擦未被平衡 由图（b ）所示a-图象可知，图象不过原点，在横轴上有截距，这是由于：轨道倾斜，左端偏高或小车与轨道间的摩擦偏大造成的，故BD 正确如图S4­2所示为用速度传感器探究小车获得的速度与小车受到的合力及运动位移关系的实验装置：该小组设计的思路是将小车从A 位置由静止释放，用速度传感器测出小车获得的速度．实验分两步进行：一是保持沙和沙桶的质量不变，改变速度传感器B 与A 位置的距离，探究小车获得的速度与小车运动位移的关系；二是保持速度传感器的位置不变，改如图S4­2所示为用速度传感器探究小车获得的速度与小车受到的合力及运动位移关系的实验装置：该小组设计的思路是将小车从A 位置由静止释放，用速度传感器测出小车获得的速度．实验分两步进行：一是保持沙和沙桶的质量不变，改变速度传感器B 与A 位置的距离，探究小车获得的速度与小车运动位移的关系；二是保持速度传感器的位置不变，改用速度传感器测出小车获得的速度．实验分两步进行：一是保持沙和沙桶的质量不变，改变速度传感器B 与A 位置的距离，探究小车获得的速度与小车运动位移的关系；二是保持速度传感器的位置不变，改变沙和沙桶的质量，探究小车获得的速度与小车所受合力的关系．图S4­2(1)实验中在探究三个物理量的关系时，采用的物理方法是控制变量法．(2)在探究小车获得的速度v 与小车运动位移x 的关系时，测出多组v 、x 的数据后作出的v 2­x 图像的形状是直线．(填“直线”或“曲线”)(3)在探究小车获得的速度与小车所受合力的关系时，要使沙和沙桶的重力等于小车受到的合力需要采取什么措施？平衡摩擦力■ 注意事项(1)在本实验中，必须平衡摩擦力，在平衡摩擦力时，不要把盘和重物系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．(2)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，且连接小车和盘应在平衡摩擦力之后．(3)改变小车的质量或拉力的大小时，改变量可适当大一些，但应满足盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量．盘和重物的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%.(4)改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮处前按住小车．考点二 数据处理与误差分析1.数据处理(1)先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据公式a ＝Δx T 2计算加速度． (2)需要记录各组对应的加速度a 与小车所受牵引力F ，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a ，横坐标表示作用力F ，描点画出a -F 图像，如果图线是一条过原点的直线，便证明加速度与作用力成正比．再记录各组对应的加速度a 与小车和砝码的总质量M ，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a ，用横坐标表示总质量的倒数1M ，描点画出a -1M图像，如果图线是一条过原点的直线，就证明了加速度与质量成反比．2．误差分析(1)质量的测量、纸带上计数点间距离的测量、拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差．(2)实验原理不完善引起误差．通过适当的调节，使小车所受的阻力被平衡，当小车做加速运动时，可以得到a ＝m M ＋mg ，T ＝mg M M ＋m ＝mg 1＋m M，只有当M ≫m 时，才可近似认为小车所受的拉力T 等于mg ，所以本实验存在系统误差．(3)平衡摩擦力不准造成误差．某同学利用图S4­3(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a 与钩码的质量m 的对应关系图，如图(b)所示．实验中小车(含发射器)的质量为200 g ，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：(a)(b)图S4­3(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成非线性(选填“线性”或“非线性”)关系．(2)由图(b)可知，a -m 图线不经过原点，可能的原因是存在摩擦力．(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg 作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是调节倾斜角以平衡摩擦力，钩码的质量应满足的条件是远小于小车质量．1 用如图S4­4所示的装置探究加速度与力和质量的关系，带滑轮的长木板和弹簧测力计均水平固定．图S4­4(1)实验时，一定要进行的操作是A,B (填选项前的字母)．A ．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B ．改变沙和沙桶的总质量，打出几条纸带C ．用天平测出沙和沙桶的总质量D ．为减小误差，实验中一定要保证沙和沙桶的总质量远小于小车的质量(2)以弹簧测力计的示数F 为横坐标，以加速度a 为纵坐标，画出的a -F 图像可能正确的是图S4­5中的A (填选项字母)．图S4­5(3)若测出的a -F 图像的斜率为k ，则小车的质量为2/k ．某实验小组利用如图S4­6甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系．(1)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M 和气垫导轨最右端高度h (见图甲)．关于“改变滑块质量M 和气垫导轨最右端的高度”的正确操作方法是A ．A ．M 减小时，h 增大，以保持二者乘积不变B ．M 增大时，h 增大，以保持二者乘积增大C ．M 增大时，h 减小，以保持二者乘积减小D ．M 减小时，h 减小，以保持二者乘积减小(2)做实验时，将滑块从图甲所示位置(气垫导轨右端)由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt 1、Δt 2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x ，用游标卡尺测得遮光条宽度d .则滑块加速度的表达式a ＝________(以上表达式均用已知字母表示)．如图乙所示，若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，其读数为8.15mm.图S4­6■ 注意事项(1)如果a 与1M 是正比关系，则a -1M图像是直线，而若a 与M 是反比关系，则a -M 图像是曲线，在研究两个量的关系时，直线更易确定两者之间的关系，故本实验作a -1M图像．(2)在平衡摩擦力时，除了不挂盘和重物外，其他都应跟正式实验一样，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点间的距离相等．1．[2015·大连二诊] 某同学在“探究加速度与力的关系”实验中，按照正确操作步骤，得到了在不同合外力下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等几条纸带，并在纸带上每5个点取一个计数点，即相邻两计数点间的时间间隔为0.1 s ，将某同学在“探究加速度与力的关系”实验中，按照正确操作步骤，将每条纸带上的计数点都记为0、1、2、3、4、5…，如图S4­7所示A 、B 、C 三段纸带，分别是从三条不同纸带上撕下的．．图S4­7(1)打下计数点1时，纸带的速度大小为0.20m/s(保留两位有效数字，下同)；(2)打Ⅰ纸带时，物体的加速度大小是2.0m/s2；(3)在A、B、C三段纸带中，属于纸带Ⅰ的是B．2．[2015·兰州3月诊断] 在“探究加速度和力的关系”的实验中，某校的兴趣小组采用如图S4­8甲所示的传感器实验装置进行研究，计算机可通过位移传感器采集的数据直接计算出小车的加速度．实验时他们用钩码的重力作为小车所受外力，平衡好摩擦后，保持小车质量不变，改变所挂钩码的数量，多次重复测量．根据测得的多组数据可画出a-F关系图线(如图乙所示)．甲乙图S4­8(1)分析此图线的OA段可得出的实验结论是小车质量不变时，其加速度与受到的合力成正比.(2)此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是(C)A．小车与轨道之间存在摩擦B．导轨保持了水平状态C．所挂钩码的总质量太大D．所用小车的质量太大对小车和钩码分别应用牛顿第二定律，当m远小于M时可认为小车受到的合力等于钩码重力，如果钩码质量过大，则小车受到合力明显小于钩码重力，实验误差较大，a F图像偏离直线，C正确。