人教版 (2019)必修 第一册3 牛顿第二定律导学案

专题强化　实验：验证牛顿第二定律

[学习目标]　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)。

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？

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2.在探究加速度与力、质量的关系实验时，当小车质量一定时，我们得出的a－F图像如图所示，请分析出现问题的原因？

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例1　(2022·菏泽市高一期末)某同学用带有滑轮的木板、小车、打点计时器、沙和沙桶等，做“探究物体的加速度与力的关系”的实验。

(1)图甲为其安装的实验装置，在该装置中有一处明显的错误，是________处(选填“a”“b”“c”或“d”)；

(2)纠正错误后，正确实验中打出了一条纸带，从比较清晰的点开始，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间有4个点没有标出，测出各计数点到A点的距离，如图乙所示。已知打点计时器工作电源的频率为50 Hz，则此次实验中打C点时小车运动的速度vC＝________ m/s，小车的加速度a＝________ m/s2(结果保留两位有效数字)；

(3)实验时改变桶内沙的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度，根据测得的多组数据画出a－F关系图像，如图丙中实线所示。图线的上端明显向下弯曲，造成此现象的主要原因是________。

A．小车与平面轨道之间存在摩擦

B．平面轨道倾斜角度过大

C．沙和沙桶的总质量过大

D．所用小车的质量过大

例2　(2023·淮安市高一期末)为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图甲所示的实验装置。

(1)以下实验操作正确的是________。

A．将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动

B．调节滑轮的高度，使细线与木板平行

C．先接通电源，后释放小车

D．实验中小车的加速度越大越好

(2)在实验中得到一条如图乙所示的纸带，已知相邻的计数点间的时间间隔为T＝0.1 s，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，分别为3.09 cm、3.43 cm、3.77 cm、4.10 cm、4.44 cm、4.77 cm，则打C点时，小车速度大小vC＝________ m/s，小车加速度大小a＝______ m/s2。(结果均保留2位有效数字)

(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力F的关系，他们在木板水平及倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图丙所示，图线________(填“①”或“②”)是在木板倾斜情况下得到的，小车及车中砝码的总质量m＝________kg。

例3　(2023·南通市高一统考期末)某实验小组利用如图甲所示装置“探究加速度与物体受力的关系”，已知小车的质量为M，单个钩码的质量为m，打点计时器所接的交流电源的频率为50 Hz，动滑轮质量不计，实验步骤如下：

①按图甲所示安装好实验装置(未挂钩码)，其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直

②调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下匀速运动

③挂上钩码，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求出小车的加速度，读出弹簧测力计的示数

④改变钩码的数量，重复步骤③，求得小车在不同拉力作用下的加速度

根据上述实验过程，回答以下问题：

(1)对于上述实验，下列说法正确的是______。

A．钩码的质量应远小于小车的质量

B．实验过程中钩码处于超重状态

C．与小车相连的细线与长木板一定要平行

D．弹簧测力计的读数应为钩码重力的一半

(2)实验中打出的一条纸带如图乙所示，图中相邻两计数点间还有4个点未画出，由该纸带可求得小车的加速度a＝________ m/s2。(结果保留两位小数)

(3)若交流电的实际频率小于50 Hz，则(2)中a的计算结果与实际值相比________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。

(4)若实验步骤②中，让长木板水平放置，没有补偿阻力，其余实验步骤不变且操作正确，以弹簧测力计的示数F为纵坐标，以加速度a为横坐标，得到如图丙所示的纵轴截距为b、斜率为k的一条倾斜直线，重力加速度为g，忽略滑轮与细线之间的摩擦以及纸带与限位孔之间的摩擦，则小车和长木板之间的动摩擦因数μ＝______。

例4　(2022·烟台市高一期末)做“探究加速度与力、质量的关系”实验时，某实验小组采用如图甲所示的实验装置。实验小组在长木板上B点处安装了一个光电门，在小车上固定一遮光条，宽度为d，一端连着小车的细线另一端绕过定滑轮与力传感器相连，力传感器下方悬挂槽码。

(1)下列实验操作和要求必要的是________(选填选项前的字母)；

A．该实验操作前要补偿阻力

B．该实验操作前不需要补偿阻力

C．应使A位置与光电门之间的距离适当大些

D．应使小车质量远大于槽码和力传感器的总质量

(2)实验时，在力传感器下端挂上槽码，另一端通过细线连接小车。调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细线与木板平行。将小车从长木板上的A点处由静止释放，读出遮光条通过B点处光电门的时间t和力传感器示数F，用毫米刻度尺量出小车释放点A点处到B点处光电门的距离L，根据以上测量数据计算得出加速度的表达式为________(用题中测量的物理量字母表示)；

(3)保持小车的质量不变，通过增加槽码的个数来改变小车所受合外力大小，重复实验几次，记录多组实验数据。

(4)实验小组根据记录的多组F的实验数据和计算得到的加速度a的数值，画出了如图乙所示的a－F图像。图像不过原点的主要原因是____________，为了使实验结果更准确，需要把甲图中的垫块向________(选填“右”或“左”)移动。