高考物理一轮复习课件专题三：实验 验证牛顿运动定律

1学会用控制变量法研究物理规律学会用控制变量法研究物理规律 2验证牛顿第二定律验证牛顿第二定律 3掌握利用图象处理数据的方法掌握利用图象处理数据的方法 实验实验 验证牛顿运动定律验证牛顿运动定律 探究加速度探究加速度a与力与力F及质量及质量m的关系时，应用的基本方法的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量是控制变量法，即先控制一个参量小车的质量小车的质量m不变，不变，讨论加速度讨论加速度a与力与力F的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即力即力F不变，改变小车质量不变，改变小车质量m，讨论加速度，讨论加速度a与与m的关系的关系打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、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、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码 一、测质量一、测质量 1用用天平测出小车和砝码的总质量天平测出小车和砝码的总质量M，小盘和砝码的总质量，小盘和砝码的总质量m，把测量结果记录下来把测量结果记录下来 二、仪器安装及平衡摩擦力二、仪器安装及平衡摩擦力 图图341 2按按图图341把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车系在车上，即不给小车 加牵引力加牵引力3平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板反复移动木板的板反复移动木板的 位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态这时，小车拖态这时，小车拖 着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡方向上的分力平衡三、保持小车的质量不变三、保持小车的质量不变 4把把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器开小车，打点计时器 在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸在纸带上标上纸 带号码带号码 5保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适量的砝码，保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质把小盘和砝码的总质 量量m记录下来，重复步骤记录下来，重复步骤4.在小桶内再放入适量砝码，记在小桶内再放入适量砝码，记录下小盘和砝码的总录下小盘和砝码的总 质量质量m，再重复步骤，再重复步骤4. 6重复步骤重复步骤5三次，得到三条纸带三次，得到三条纸带 7在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距测量计数点间的距 离，算出每条纸带上的加速度的值离，算出每条纸带上的加速度的值 8用纵坐标表示加速度用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力，横坐标表示作用力F，作用力的大，作用力的大小小F等于小盘和砝码的等于小盘和砝码的 总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原这些点是在一条过原 点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比 四、保持小盘和砝码的质量不变四、保持小盘和砝码的质量不变 9保保持小盘和砝码的质量不变，在小车上加砝码，重复持小盘和砝码的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐上面的实验，用纵坐 标表示加速度标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在根据实验结果在 坐标平面上画出相应的点如果这些点是在一条过原坐标平面上画出相应的点如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明点的直线上，就证明 了加速度与质量成反比了加速度与质量成反比 1一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力面，使小车的重力 沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力在平衡沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力在平衡摩擦力时，不要把摩擦力时，不要把 悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着并要让小车拖着 打点的纸带运动打点的纸带运动 2实验步骤实验步骤2、3不需要重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不需要重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小不管以后是改变小 盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力要重新平衡摩擦力 3每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总于小盘和砝码的总 质量的条件下打出只有如此，小盘和砝码的总重力才质量的条件下打出只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的可视为小车受到的 拉力拉力 4改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打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前按住小接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车车 1质量的测量误差，纸带上打点计时器打质量的测量误差，纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差木板平行等都会造成误差 2因实验原理不完善造成误差：因实验原理不完善造成误差： 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际实际上小车受到的拉力要上小车受到的拉力要 小于小盘和砝码的总重力小于小盘和砝码的总重力)，存在系统误差小盘和砝码的，存在系统误差小盘和砝码的总质量越接近小车的总质量越接近小车的 质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小车的质量，误差就越小 3平衡摩擦力不准造成误差：平衡摩擦力不准造成误差： 在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验一样一样(比如要挂好纸带、比如要挂好纸带、 接通打点计时器接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等带上各点的距离相等 【例【例1】 图图342 在在探究加速度与力、质量的关系实验中，采用如图探究加速度与力、质量的关系实验中，采用如图342所示的实验装所示的实验装 置，小车及车中砝码的质量用置，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的表示，盘及盘中砝码的质量用质量用m表示，小车表示，小车 的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点计算出计算出 (1)当当M与与m的大小关系满足的大小关系满足_时，才可以认为绳时，才可以认为绳对小车的拉力大小等对小车的拉力大小等 于盘及盘中砝码的重力于盘及盘中砝码的重力 (2)一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，砝码的质量一定， 改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据为了比法处理数据为了比 较容易地确定出加速度较容易地确定出加速度a与质量与质量M的关系，应该作的关系，应该作a与与_的图象的图象 图图343 (3)如图如图343(a)为甲同学根据测量数据作出的为甲同学根据测量数据作出的aF图线，图线，说明实验存在的问题是说明实验存在的问题是 _ (4)乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的aF图图线如图线如图343(b)所所 示，两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同？示，两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同？ _. 解析：解析：(1)当当Mm时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力盘及盘中砝码的重力 (2)因由实验画的因由实验画的aM图象是一条曲线，难以判定它所对应图象是一条曲线，难以判定它所对应的函数式，从而难以的函数式，从而难以 确定确定a与与M的定量关系，所以在实验中应作的定量关系，所以在实验中应作a 图象而不是图象而不是aM图象来分析实验图象来分析实验 结果结果 (3)图图(a)甲同学根据测量数据作出的甲同学根据测量数据作出的aF图线没有过原点，图线没有过原点，图象交于图象交于F轴上一点，轴上一点， 说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 (4)乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的aF图线，两图象的斜图线，两图象的斜 率不率不 同，说明两个同学做实验时的小车及车上砝码的总质量不同，说明两个同学做实验时的小车及车上砝码的总质量不同同 答案：答案：(1)Mm(2)1/M(3)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够不够 (4)小车及车上的砝码的总质量不同小车及车上的砝码的总质量不同【例【例2】 若若测得某一物体质量测得某一物体质量M一定时，一定时，a与与F的有关数据资料如下表所示的有关数据资料如下表所示a/(ms2)1.98 4.06 5.95 8.12F/N1.00 2.00 3.00 4.00图图344(1)根据表中数据，在图根据表中数据，在图344坐标中画出坐标中画出aF图象图象(2)根据图象判定：当根据图象判定：当M一定时，一定时，a与与F的关系为的关系为_ 解析：解析：本题主要考查本题主要考查“验证牛顿运动定律验证牛顿运动定律”实验的数据实验的数据处理方法及结果分析若处理方法及结果分析若a与与F成正比，则图象是一条过原点成正比，则图象是一条过原点的直线同时，因实验中不可避免地出现误差，则在误差允的直线同时，因实验中不可避免地出现误差，则在误差允许范围内图象是一条过原点的直线即可连线时应使直线过许范围内图象是一条过原点的直线即可连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称分布在直线两侧，尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称分布在直线两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予以考虑，如图所示离直线较远的点应视为错误数据，不予以考虑，如图所示 答案：答案：(1)见解析见解析(2)正比关系正比关系图图345【例【例3】 如图如图345所示的实验装置可以验证牛顿运动定所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒律，小车上固定一个盒 子，盒子内盛有沙子沙桶的总质量子，盒子内盛有沙子沙桶的总质量(包括桶以及桶内包括桶以及桶内沙子质量沙子质量)记为记为m， 小车的总质量小车的总质量(包括车、盒子及包括车、盒子及盒内沙子质量盒内沙子质量)记为记为M. (1)验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力力mg，将该力视为合外力，将该力视为合外力F，对应的加速度，对应的加速度a则从打下的纸带则从打下的纸带中计算得出多次改变合外力中计算得出多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相的大小，每次都会得到一个相应的加速度本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统应的加速度本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变以合外力的总质量不变以合外力F为横轴，以加速度为横轴，以加速度a为纵轴，画出为纵轴，画出aF图象，图象是一条过原点的直线图象，图象是一条过原点的直线 aF图象斜率的物理意义是图象斜率的物理意义是_ 你认为把沙桶的总重力你认为把沙桶的总重力mg当作合外力当作合外力F是否合理？是否合理？ 答：答：_.(填填“合理合理”或或“不合理不合理”) 本次实验中，是否应该满足本次实验中，是否应该满足Mm这样的条件？这样的条件？ 答：答：_(填填“是是”或或“否否”)； 理由是理由是_ (2)验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：保持桶内沙子质量保持桶内沙子质量m不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系本次实验中，桶内的沙子总质验证加速度与质量的关系本次实验中，桶内的沙子总质量不变，故系统所受的合外力不变量不变，故系统所受的合外力不变 用图象法处理数据时，以加速度用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以为纵轴，应该以_倒数为横轴倒数为横轴 解析：解析：(1)将车内的沙子转移到桶中，就保证了将车内的沙子转移到桶中，就保证了Mm不变，即不变，即系统的总质量不变，系统的总质量不变， 研究对象是整个系统，研究对象是整个系统，a ，可见，可见aF图象斜图象斜率的物理意义是率的物理意义是 ， 系统的合外力就等于所悬挂沙桶的重力系统的合外力就等于所悬挂沙桶的重力mg，不必满足，不必满足Mm这这样的条件样的条件 (2)向小车内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量向小车内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量Mm，而系统的合外力仍而系统的合外力仍 等于所悬挂沙桶的重力等于所悬挂沙桶的重力mg，保证了合外力不变，保证了合外力不变 答案：答案：(1) 合理合理否否因为实验的研究对象是整因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的个系统，系统受到的 合外力就等于合外力就等于mg(2)Mm