2019版高考物理一輪復習 實驗四 驗證牛頓運動定律課件.ppt

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實驗四 驗證牛頓運動定律 1 實驗目的 1 學會用控制變量法來研究物理規(guī)律 2 學會靈活運用圖象法處理物理問題的方法 3 探究加速度與力 質(zhì)量的關(guān)系 進而驗證牛頓第二定律 2 實驗原理探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關(guān)系時 應用的基本方法 是控制變量法 1 控制小車的質(zhì)量m不變 討論 與 的 關(guān)系 2 控制桶和砂的質(zhì)量不變 即力F不變 改變 討論 與 的關(guān)系 加速度a 力F 小車質(zhì)量m 加速度a 小車質(zhì)量m 3 實驗器材 低壓交流 天平 刻度尺 打點計時器 紙帶及復寫紙 小車 一端附有滑輪的長木板 小桶 細繩 砂 電源 砝碼 4 實驗步驟及器材調(diào)整 1 用天平分別測出小車和小桶的質(zhì)量M和m 把數(shù)值記錄下來 2 按圖S4 1所示把實驗器材安裝好 圖S4 1 3 平衡摩擦力 在長木板的不帶滑輪的一端下面墊上一塊薄木板 反復移動其位置 直至 填 掛 或 不掛 小桶的小車剛好在斜面上保持 運動為止 4 將小桶通過細繩系在小車上 接通電源放開小車 使小車運動 用紙帶記錄小車的運動情況 取下紙帶 并在紙帶上 標上號碼 不掛 勻速 5 保持小車的質(zhì)量不變 改變小桶中的砂量 測量砂和小桶質(zhì)量m 重復步驟 4 每次記錄必須在相應的紙帶上做上標記 列表格將記錄的數(shù)據(jù)填寫在表內(nèi) 6 建立坐標系 用縱坐標表示 橫坐標表示 在坐標系上描點 畫出相應的圖象以驗證 與 的 關(guān)系 加速度 力 a F 7 保持砂及小桶的質(zhì)量不變 改變小車的質(zhì)量 在小車上增減砝碼 重復上述步驟 5 6 驗證 與 的關(guān)系 加速度a 小車質(zhì)量M 5 數(shù)據(jù)處理 1 利用 x aT2及逐差法求a 2 以a為縱坐標 F為橫坐標 根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點 如果這些點在一條過原點的直線上 說明a與F成正比 3 以a為縱坐標 1m 為橫坐標 描點 連線 如果該線過 原點 就能判定a與m成反比 6 注意事項 1 平衡摩擦力 適當墊高木板的右端 使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力 在平衡摩擦力時 不要把小桶系在小車上 而讓小車拉著打點的紙帶勻速運動 且在實驗過程中 重復平衡摩擦力 2 實驗條件 每次實驗中均要求小車質(zhì)量M 砂和小桶質(zhì)量m 只有這樣 才能使牽引小車的牽引力近似等于砂及 小桶的重力 不需要 3 一先一后一按 改變拉力或小車質(zhì)量后 每次開始時 小車應盡量靠近打點計時器 并應先 后 且應在小車到達滑輪前按住小車 4 作圖 作圖象時 應使盡可能多的點在所作的直線上 不在直線上的點盡可能對稱分布在所作直線的兩側(cè) 接通電源 釋放小車 7 誤差分析 1 系統(tǒng)誤差以小車和小桶整體為研究對象得mg M m a 以小車為 的總重力mg代替小車的拉力 而實際上小車所受的拉力要小于小桶和砂的總重力 2 偶然誤差質(zhì)量測量不準確 計數(shù)點間距測量不準確 紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差 考點1 對實驗原理與實驗步驟的考查 典題1 2017年山東泰安高三第二輪質(zhì)檢 在 驗證牛頓第二定律 的實驗中 采用如圖S4 2所示的實驗裝置 小車及車中砝碼的質(zhì)量用M表示 砂和砂桶的質(zhì)量用m表示 小車的加速度可由小車后面拖動的紙帶計算出 圖S4 2 1 實驗中 為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力 先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度 使細線與長木板平行 接下 來還需要進行的一項操作是 A 將長木板水平放置 讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶 給打點計時器通電 改變砂桶中砂的多少 使小車在砂和砂桶的牽引下運動 從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動B 將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶 撤去砂和砂桶 給打點計時器通電 輕推小車 從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動C 將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?撤去紙帶以及砂和砂桶 輕推小車 觀察判斷小車是否做勻速運動 2 實驗中要進行質(zhì)量m和M的選取 以下最合理的一組 是 A M 200g m 10g 15g 20g 25g 30g 35g 40gB M 200g m 20g 40g 60g 80g 100g 120gC M 400g m 10g 15g 20g 25g 30g 35g 40gD M 400g m 20g 40g 60g 80g 100g 120g 3 已知打點計時器使用的交變電流頻率為50Hz 每相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點未畫出 利用如圖S4 3所示給出的數(shù)據(jù)可求出小車運動的加速度a m s2 計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字 圖S4 3 解析 1 為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力 需要平衡摩擦力 其方法是 將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶 撤去砂和砂桶 給打點計時器通電 輕推小車 從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 故B正確 2 為了使砂和砂桶的重力等于小車所受的拉力 應滿足m M 故選C 答案 1 B 2 C 3 1 58 考點2 對數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查 典題2 在用圖S4 4所示裝置做 驗證牛頓第二定律 的實驗中 1 甲同學在外力F一定的條件下 探究a與M的關(guān)系時 所得到的實驗結(jié)果如下表所示 外力F 0 1N 圖S4 4 圖S4 5 請你完善表中數(shù)據(jù) 并在圖S4 5中給出的坐標紙上畫出 由圖象可得到的結(jié)論是 2 乙同學在探究 加速度與外力關(guān)系 的實驗中得到的a F圖象如圖S4 6所示 則該圖象中圖線不過原點的原因是 小車的質(zhì)量為 kg 計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字 圖S4 6 答案 1 5 00 如圖D21所示 圖D21 在外力一定的情況下 物體的加速度與質(zhì)量成反比 0 28 0 26 0 29均 2 木板傾角過大 或平衡摩擦力過度 正確 遷移拓展 2014年新課標 卷 某同學利用如圖S4 7甲所示實驗裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼的質(zhì)量m的對應關(guān)系圖 如圖乙所示 實驗中小車 含發(fā)射器 的質(zhì)量為200g 實驗時選擇了不可伸長的輕質(zhì)細繩和輕定滑輪 小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機得到 回答下列問題 甲 乙 圖S4 7 1 根據(jù)該同學的結(jié)果 小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成 填 線性 或 非線性 關(guān)系 2 由圖乙可知 a m圖線不經(jīng)過原點 可能的原因是 3 若利用本實驗裝置來驗證 在小車質(zhì)量不變的情況下 小車的加速度與作用力成正比 的結(jié)論 并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力 則實驗中應采取的改進措施是 鉤碼的質(zhì)量應滿足的條件是 解析 本題考查了驗證牛頓第二定律的實驗 1 根據(jù)圖中描出的各點作出的圖象不是一條直線 故小車的加速度和鉤碼的質(zhì)量成非線性關(guān)系 2 圖象不過原點 小車受到拉力但沒有加速度 原因是有摩擦力的影響 3 平衡摩擦力之后 在滿足鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下 可以得出在小車質(zhì)量不變的情況下拉力與加速度成正比的結(jié)論 答案 1 非線性 2 存在摩擦力 3 調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力 遠小于小車的質(zhì)量 1 實驗器材的創(chuàng)新 1 利用光電門測滑塊上的遮光條通過光電門的時間 2 利用氣墊導軌代替長木板 3 利用力傳感器測繩中拉力大小 2 實驗原理的創(chuàng)新 利用力傳感器測出細線拉力或選取整體作為研究對象 消除了因不滿足m M而帶來的實驗誤差 3 數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新 考向1 利用力傳感器測量拉力的大小 典題3 2016年廣東江門模擬 如圖S4 8所示是某同學探究加速度與力的關(guān)系的實驗裝置 他在氣墊導軌上安裝了一個光電門B 滑塊上固定一遮光條 滑塊用細線繞過氣墊導軌左端的定滑輪與力傳感器相連 傳感器下方懸掛鉤碼 每次滑塊都從A處由靜止釋放 圖S4 8 1 該同學用游標卡尺測量遮光條的寬度d 如圖S4 9所示 則d mm 圖S4 9 2 實驗時 將滑塊從A位置由靜止釋放 由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門B的時間t 若要得到滑塊的加速度 還需要測量的物理量是 3 下列不必要的一項實驗要求是 請?zhí)顚戇x項前 對應的字母 A 應使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量B 應使A位置與光電門間的距離適當大些C 應將氣墊導軌調(diào)節(jié)水平D 應使細線與氣墊導軌平行 4 改變鉤碼質(zhì)量 測出對應的力傳感器的示數(shù)F和遮光條通過光電門的時間t 通過描點作出線性圖象 研究滑塊的加速度與力的關(guān)系 處理數(shù)據(jù)時應作出 圖象 填 t2 F 解析 1 由題圖知第6條刻度線與主尺對齊 d 2mm 6 0 05mm 2 30mm 2 實驗時 將滑塊從A位置由靜止釋放 由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門B的時間t 滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度可近似認為是滑塊經(jīng)過光電門的平均速度 根據(jù)運動學公式得若要得到滑塊的加速度 還需要測量的物理量是遮光條到光電門的距離L 3 拉力是直接通過力傳感器測量的 故與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無關(guān) 故A項不必要 應使A位置與光電門間的距離適當大些 有利于減小誤差 故B項必要 應將氣墊導軌調(diào)節(jié)水平 拉力才等于合力 故C項必要 要保持拉線方向與木板平面平行 拉力才等于合力 故D項必要 故選A 答案 1 2 30 2 遮光條到光電門的距離L 3 A 考向2 選擇整體作為研究對象 典題4 2016年新課標 卷 某物理課外小組利用圖S4 10中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系 圖中 置于實驗臺上的長木板水平放置 其右端固定一輕滑輪 輕繩跨過滑輪 一端與放在木板上的小滑車相連 另一端可懸掛鉤碼 本實驗中可用的鉤碼共有N 5個 每個質(zhì)量均為0 010kg 實驗步驟如下 1 將5個鉤碼全部放入小車中 在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊 使小車 和鉤碼 可以在木板上勻速下滑 圖S4 10 2 將n 依次取n 1 2 3 4 5 個鉤碼掛在輕繩右端 其余N n個鉤碼仍留在小車內(nèi) 用手按住小車并使輕繩與木板平行 釋放小車 同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s 繪制s t圖象 經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應的加速度a 3 對應于不同的n的a值見下表 n 2時的s t圖象如圖S4 11甲所示 由圖甲求出此時小車的加速度 計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字 將結(jié)果填入下表 4 利用表中的數(shù)據(jù)在圖乙中補齊數(shù)據(jù)點 并作出a n圖象 從圖象可以看出 當物體質(zhì)量一定時 物體的加速度與其所受的合外力成正比 甲 乙 圖S4 11 5 利用a n圖象求得小車 空載 的質(zhì)量為 kg 計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字 重力加速度g取9 8m s2 6 若以 保持木板水平 來代替步驟 1 下列說法正確的 是 填正確選項前的序號 A a n圖線不再是直線 B a n圖線仍是直線 但該直線不過原點C a n圖線仍是直線 但該直線的斜率變大 當t 2s時 s 0 78m 代入解得a 0 39m s2 4 由題意知描點法作圖所得的必須是一條直線 5 對于掛在下面的n個鉤碼 有nmg F nma 對于小車 含剩下的鉤碼 有F M N n m a 兩式相加得nmg M Nm a 6 木板水平時要考慮摩擦力的影響 對于掛在下面的n個鉤碼 有nmg F nma 對于小車 含剩下的鉤碼 有F M N n m g M N n m a 兩式相加得nmg M N n m g M Nm a 去中括號得n mg mg M Nm g M Nm a 移項化簡得n mg mg M Nm a g 可見a n圖象仍是一條直線 但其斜率要變大 且不過坐標原點 答案 3 0 39 0 37 0 49均正確 4 如圖S4 12所示 5 0 45 0 43 0 47均正確 6 BC 圖S4 12 方法技巧 本實驗還可以從以下兩個方面創(chuàng)新 1 實驗目的的創(chuàng)新 測木塊與木板間的動摩擦因數(shù) 2 實驗器材的創(chuàng)新 利用位移傳感器測物體的位移 利用傳感器測物體的速度或加速度