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高考物理總復習課件
第三章 　牛頓運動定律
實驗四 驗證牛頓運動定律
一、基本原理與操作
二、注意事項
(1)平衡摩擦力中的“不重復”：平衡了摩擦力后，不管以后
是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量，都不
需要重新平衡摩擦力.
(2)操作中的“一先一后一按”：每次開始時小車應靠近打點
計時器，并先接通電源，后放開小車，且應在小車碰到滑輪前按
住小車.
(3)作圖中的“擬合與舍棄”：要使盡可能多的點在一條直線
上，不在直線上的點也要盡可能均勻地分布在直線的兩側，遇到
個別偏差較大的點應舍去.
三、誤差分析
(1)因實驗原理不完善引起誤差.以小車、小盤和砝碼組成的整體為
研究對象，得 mg＝(M＋m)a；以小車為研究對象，得 F＝Ma；求得
本實驗用小盤和盤中砝碼的重力 mg 代替小車所受的拉力，而實際
上小車所受的拉力要小于小盤和盤中砝碼的重力.小盤和砝碼的總質
量越小，由此引起的誤差就越小.
(2)摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數點間距測量不準確、
紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會產生誤差.
考點 實驗原理與實驗步驟
【典題 1】(2023 年廣東廣州月考)某實驗小組利用如圖 S4-1
所示的裝置探究加速度與力、質量的關系.
圖 S4-1
(1)把木板的一側墊高，調節木板的傾斜度，使木塊在不受牽
引力時能拖動紙帶沿木板勻速運動.此處采用的科學方法是_____.
A.理想化模型法
B.阻力補償法
C.等效替代法
D.控制變量法
B.為使砝碼桶及桶內砝碼的總重力在數值上近似等于木塊運
動時受到的拉力，應滿足的條件是砝碼桶及桶內砝碼的總質量遠
大于木塊和木塊上砝碼的總質量
C.調節滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木板保持平行
D.通過增減木塊上的砝碼改變質量時，需要重新調節木板傾
斜度
(2)下列做法正確的是______.
A.實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源
(3)實驗時改變砝碼桶內砝碼的質量，分別測量木塊在不同外
力作用下的加速度.根據測得的多組數據畫出 a-F 關系圖像，如圖
S4-2 所示.此圖像的 AB 段明顯偏離直線，造成此現象的主要原因
可能是______.
圖 S4-2
A.木塊與平面軌道之間存在摩擦
B.平面軌道傾斜角度過大
C.所用木塊的質量過大
D.所掛的砝碼桶及桶內砝碼的總質量過大
(4)某同學結合上述實驗知識用自制的“滴水計時器”來研究
小車在水平桌面上運動時受到的阻力大小.如圖 S4-3 甲所示，將該
計時器固定在小車旁，用手輕推一下小車，在小車的運動過程中
滴水計時器間隔相等時間滴下小水滴.圖乙記錄了桌面上連續 5 個
水滴的位置.已知滴水計時器每 10 s 滴下 25 個小水滴，小車的總
質量為 2.4 kg.
甲
乙
圖 S4-3
經分析可得小車的加速度大小為_____m/s2，若忽略滴水對小
車質量的影響，則小車受到的阻力大小為______N.(結果均保留兩
位有效數字)
解析：(1)把木板的一側墊高，調節木板的傾斜度，使木塊重
力沿木板向下的分力大小等于摩擦力，即木板在不受牽引力時能
拖動紙帶沿木板勻速運動，此處采用的科學方法是阻力補償法，
選 B.
(2)調節滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木板保持平行，
使木塊能沿砝碼桶拉力作用下做勻加速運動，以減小實驗誤差，
C 正確.
(3)由以上分析可知，當木塊與平面軌道之間存在摩擦，平面
軌道傾斜角度過大，所用木塊的質量過大，都不會影響 a-F 關系
圖，AB 段明顯偏離直線，ABC 錯誤.當所掛的砝碼桶及桶內砝碼
的總質量太大時，則有木塊所受的合外力 F合＝T＝Ma＝
M
M＋m
mg
＝
1
1＋
m
M
總質量接近木塊及木塊上砝碼的總質量時，木塊受到的合外力小
于砝碼桶及桶內砝碼的總重力，木塊的加速度就不成線性增大，
實驗誤差增大，則有 a-F 圖像的 AB 段明顯偏離直線，D 正確.
mg，造成此現象的主要原因可能是當砝碼桶及桶內砝碼的
答案：(1)B (2)C (3)D (4)0.14 0.34
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(1)探究加速度與力的關系：根據多組(a，F)數據
作出 a-F 圖像.
①理想圖像.
圖像是一條過原點的直線，可判斷 a∝F.
②實際情況分析.
當 m 不再遠小于 M 時，圖像向下彎曲.
(2)探究加速度與質量關系：根據多組(a，M)數據作出 a-M 和
①理想圖像.
②實際情況分析.
創新角度 實驗裝置圖 拓展創新解讀
實驗器材
的創新　 1.通過傳感器測量拉力的大小，減小系統誤差.
2.使用氣墊導軌減小摩擦力對實驗的影響，用光電門測量滑塊的加速度
創新角度 實驗裝置圖 拓展創新解讀
實驗目的
的創新　 通過實驗測動摩擦因數或滑動摩擦力的大小，與探究加速度與力和質量的關系不同，本實驗是應用牛頓第二定律，通過實驗數據分析或計算動摩擦因數或滑動摩擦力
(續表)
考向 1 利用力傳感器或彈簧測力計測量拉力的大小
【典題 2】(2022 年山東卷)在天宮課堂中，我國航天員演示了
利用牛頓第二定律測量物體質量的實驗.受此啟發，某同學利用氣
墊導軌、力傳感器、無線加速度傳感器、輕彈簧和待測物體等器
材設計了測量物體質量的實驗，如圖 S4-4 所示.主要步驟如下：
①將力傳感器固定在氣墊導軌左端支架上，加速度傳感器固
定在滑塊上.
②接通氣源，放上滑塊，調平氣墊導軌.
圖 S4-4
③將彈簧左端連接力傳感器，右端連接滑塊.彈簧處于原長時
滑塊左端位于 O 點.A 點到 O 點的距離為 5.00 cm，拉動滑塊使其
左端處于 A 點，由靜止釋放并開始計時.
④計算機采集獲取數據，得到滑塊所受彈力 F、加速度 a 隨
時間 t 變化的圖像，部分圖像如圖 S4-5 所示.
圖 S4-5
圖 S4-6
回答以下問題：(結果均保留 2 位有效數字)
(1)彈簧的勁度系數為________N/m.
(2)該同學從圖 S4-5 中提取某些時刻 F 與 a 的數據，畫出 a-F
圖像如圖 S4-6 中圖線Ⅰ所示，由此可得滑塊與加速度傳感器的總
質量為________kg.
(3)該同學在滑塊上增加待測物體，重復上述實驗步驟，在圖
中畫出新的 a-F 圖像如圖中圖線Ⅱ所示，則待測物體的質量為____
____kg.
解析：(1)由題知，彈簧處于原長時滑塊左端位于 O 點，A 點
到 O 點的距離為 5.00 cm.拉動滑塊使其左端處于 A 點，由靜止釋
放并開始計時.結合 F-t 圖有Δx＝5.00 cm，F＝0.610 N，
(2)根據牛頓第二定律有 F＝ma，則 a-F 圖像的斜率為滑塊與
＝5 kg-1，則滑塊與加速度傳感器的總質量為 m＝0.20 kg.
m′＝0.33 kg，待測物體的質量Δm＝m′－m＝0.13 kg.
答案：(1)12 (2)0.20 (3)0.13
考向 2 利用光電門測量速度的大小
【典題 3】(2023 年廣東深圳開學考)為探究物體加速度 a 與外
力 F 和物體質量 M 的關系，研究小組的同學們在教材提供案例的
基礎上又設計了不同的方案，如圖 S4-7 所示，方案甲中在小車前
端固定了力傳感器與細線相連，可以從傳感器直接讀出細線拉力.
方案乙中拉動小車的細線通過滑輪與彈簧測力計相連，從測力計
示數可讀出細線拉力.方案丙中用帶有光電門的氣墊導軌和滑塊代
替木板和小車，三種方案均以質量為 m 的槽碼的重力作為動力.
甲
乙
丙
圖 S4-7
(1)關于上述不同實驗方案的操作，下列說法正確的是______.
A.各方案都需要使拉動小車(滑塊)的細線與軌道平行
B. 在研究加速度與質量關系的時候，需要保證槽碼的質量
不變
C.甲、乙兩方案在計算加速度時必須將紙帶上打的第一個點
作為計數點進行測量
D.各方案通過作出 a-M 圖像即可得出加速度與質量的關系
(2)這些方案中，需要滿足 M m 的是______；必須傾斜軌道
以平衡摩擦力的是______.
(3)如圖 S4-8 所示為一次記錄小車運動情況的紙帶，圖中 A、
B、C、D、E、F、G 為相鄰的計數點，兩個計數點間還有四個點
未畫出，小車運動到 D 點瞬時速度為________m/s，小車運動的加
速度為________m/s2.(結果均保留兩位有效數字)
圖 S4-8
解析：(1)甲、乙兩方案在計算加速度時不一定要將紙帶上打
的第一個點作為計數點進行測量，選項 C 錯誤.各方案通過作出
(2)這些方案中，甲中有力傳感器測量拉力，乙中有彈簧測力
計測量拉力，則甲、乙不需要滿足M m，但是丙圖需要滿足M
m的條件，丙圖有氣墊導軌，則不需要平衡摩擦力，但是甲、乙中
必須傾斜軌道以平衡摩擦力.
答案：(1)AB (2)丙
甲、乙 (3)0.25 0.50
考向 3 選擇整體作為研究對象
【典題 4】(2023 年廣東廣州三模)某物理興趣小組用如圖 S4-9
所示的裝置研究加速度與力、質量的關系.帶擋光片的物體 A 內有
若干質量均為 m0 的小鐵片，初態時 A、B 系統剛好靜止，物體 A、
B 的質量相等.
圖 S4-9
(1)用游標卡尺測量擋光片的寬度 d，如圖 S4-10 所示，則擋光
片的寬度 d＝_______cm.
圖 S4-10
(2)測量擋光片到光電門中心的距離 h，將 A 中的 1 個小鐵片
移到 B 中，由靜止釋放 A，記錄擋光片的擋光時間 t1.
(3)將 A 中的 2 個小鐵片移到 B 中，在相同的初始位置由靜止
釋放 A，記錄擋光片的擋光時間 t2.
(4)多次重復，得到移動的小鐵片的數量 n 和對應的擋光時間
tn.
(5)以 n 為橫坐標，以____________為縱坐標，將實驗測得的
數據描點連線，若得到一條傾斜的直線，則表明物體的加速度與
質量成反比，與所受合力成正比.
(6)請寫出一條產生實驗誤差的原因：__________________.
解析：(1)擋光片的寬度 d＝0.5 cm＋0.05×12 mm＝0.560 cm.
(2)設向 B 中轉移 n 個鐵片，繩中張力為 T，對 B，根據牛頓第二
定律，(nm0＋M)g－T＝(nm0＋M)a，對 A，T－(M－nm0)g＝(M－nm0)a，
謝謝
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