高考物理一轮总复习 专题三 实验四 验证牛顿运动定律课件 新人教版.ppt

实验四 验证牛顿运动定律 实验准备 实验目的 控制变量 力 质量 学会用 法来研究物理规律 探究 与 的关系 进而验证牛顿第二定律 实验原理 控制变量 探究加速度a与力F及质量M的关系时 应用的基本方法是 法 即先控制一个参量 小车的质量M不变 讨论加速度a与力F的关系 再控制细砂和砂桶的质量不变 即力F不变 改变小车质量M 讨论加速度a与M的关系 加速度 实验器材打点计时器 纸带及复写纸 小车 一端附有滑轮的长木板 砂桶 细绳 细砂 低压交流电源 天平 刻度尺 砝码 实验过程实验步骤 1 用天平分别测出 和 的质量M和m 把数值记录下来 砂和砂桶 2 按图S4 1所示把实验器材安装好 图S4 1 小车 3 平衡摩擦力 在长木板 的一端下面垫上一块薄木板 反复移动其位置 直至 的小车刚好在斜面上保持 为止 4 将砂桶通过细绳系在小车上 先 后 使小车运动 用纸带记录小车的运动情况 取下纸带 并在纸 带上标上号码 放开小车 5 保持 不变 改变砂桶中的细砂量 重复步骤 4 每次记录必须在相应的纸带上做上标记 列表格将记录的 数据填写在表内 细砂和砂桶的质量 6 建立坐标系 用纵坐标表示加速度 横坐标表示力 在坐标系上描点 画出相应的图线以验证a与F的关系 7 保持 不变 改变小车的质量 在小车上增减砝码 重复上述步骤 5 6 验证a与M的关系 没有滑轮 未挂沙桶 匀速直线运动 接通电源 小车的质量 注意事项 1 每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量 重物质量的条件下打出 只有如此 重物重力才可视 为小车受到的拉力 远大于 2 改变拉力和小车质量后 每次开始时小车应尽量靠近 并应先接通电源 再放开小车 且应在小车到达 滑轮前按住小车 打点计时器 3 作图象时 要使尽可能多的点在所作直线上 不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线的两侧 实验分析 4 作图时两坐标轴标度比例要选择适当 各量须采用国际单位 这样作图线时 坐标点间距不至于过密 误差会小些 5 为提高测量精度 可以采取下列措施 应舍掉纸带上开头比较密集的点 在后边便于测量的地 方找一个起点 可以把每打五次点的时间作为单位时间 即从开始点起 每隔四个点标出一个计数点 而相邻计数点间的时间间隔为T 0 1s 图象分析 1 未平衡阻力对图象的影响 对小车在倾斜的木板上的受力情况进行分析 如图S4 2所示 f为M受到的摩擦力 f 为 纸带等的阻力 由牛顿第二定律可得a F Mgsin f f M 因此调节 可平衡摩擦力 并且只要平衡一次即可 图S4 2 若摩擦力未平衡或平衡不足 太小 则a0 0 此时a F 图象如图S4 3甲所示 图S4 3 若摩擦力平衡过度 太大 则a0 0 此时a F图象如图 乙所示 2 平衡摩擦力和阻力后 如果砂桶和细砂的质量m太大 会使图线弯曲 实际上小车受到的拉力与mg并不相等 由牛 即a F图象会随着F的不断增大往F轴弯曲 如图S4 4所示 因此做实验时要保证M m 图S4 4 图S4 5 实验改进 本实验中可以用气垫导轨来代替长木板 这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦 小车的加速度也可以利用传感器 借助于计算机来处理 基础检测 2015年广东深圳模拟 某同学做 探究加速度与力的关系 的实验 实验的探究对象是铝块 质量小于砂桶 在静止释放轻绳前 装置如图S4 6甲所示 甲 乙 图S4 6 1 该同学在实验操作中有两处明显错误 分别是 和 2 纠错后开始实验 保持铝块的质量m不变 通过在砂桶中添加砂来改变对铝块的拉力 每次释放轻绳 由力传感器可测得拉力的大小F 由纸带上打出的点可算出对应加速度的大小a 已知重力加速度为g 该同学根据多组实验数据画出如图乙所示的一条过坐标原点的直线 他标注纵轴为加速度a 但忘记标注横轴 你认为横轴代表的物理量是 用所给的字母表示 3 若把力传感器装在右侧轻绳上则实验的误差会更 填 大 或 小 要进行打点的纸 答案 1 打点计时器错接在直流电源上带留得太短 2 F mg 3 大 考点1实验原理 步骤及器材的调整 重点归纳 平衡摩擦力的方法 1 在平衡摩擦力时 不要把悬挂重物的细线系在小车上 即不要给小车加任何牵引力 让小车拖着纸带打点运动 调整长木板的倾角 直到纸带上打点均匀为止 2 实验平衡了摩擦力后 不管以后是改变重物质量 还是改变小车和砝码的总质量 都不需要重新平衡摩擦力 典例剖析例1 2015年广东惠州二调 某同学设计了如图S4 7甲 乙所示的实验装置来探究加速度与物体质量 物体受力的关系 甲 乙 丙图S4 7 1 填 甲 或 乙 实验装置比较好 原因是 2 该同学选择比较理想的实验装置后 在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中 打出了一条纸带如图丙所示 计时器打点的时间间隔为0 02s 从比较清晰的点起 每5个点取一个计数点 量出相邻计数点之间的距离 该小车的加速度a m s2 计算结果保留两位有效数字 3 在实验误差允许范围内 当小车的质量不变时 小车的加速度与小车的合外力满足 图的关系 AC BD 思维点拨 解本题的关键是思考甲装置加了拉力传感器后 对实验产生什么样的影响 解析 1 甲装置加了拉力传感器后 甲图通过拉力传感器能够准确得到小车受到的拉力大小 不需像乙图那样要使小车的总质量远远大于钩码的质量才能近似认为小车受到的拉力等于钩码的重力 2 取第一段和第三段来进行计算 s 2aT2 以准确测量出拉力的大小 就不存在由于钩码的质量太大而引起的误差 故选A 答案 1 甲 甲装置加了拉力传感器 不需要像乙装置那 样要使小车的总质量远远大于钩码的质量才能近似认为小车受到的拉力等于钩码的重力 2 0 16 3 A备考策略 弄清实验原理 步骤及器材调整是对实验备考的基本要求 是创新实验的根基 它常成为考查的内容之一 考点练透 1 2015年云南一模 一学生用如图S4 8甲所示的装置测量木块与木板间的动摩擦因数 在桌面上放置一块水平长木板 木板一端带滑轮 另一端固定一打点计时器 木块一端拖着穿过打点计时器的纸带 另一端连接跨过定滑轮的绳子 在绳子上悬挂一定质量的钩码后可使木块在木板上匀加速滑动 实验中测得木块质量M 150g 钩码质量m 50g 甲 乙 图S4 8 1 实验开始时 应调整滑轮的高度 让细线与木板 2 实验中得到如图乙所示的纸带 纸带上A B C D E是计数点 相邻两计数点之间的时间间隔是0 10s 所测数据在图中已标出 根据图中数据可求得木块运动的加速度a m s2 计算结果保留两位有效数字 3 根据实验原理可导出计算动摩擦因数的表达式 用M m g a表示 取g 10m s2 代入相关数据可求得 计算结果保留一位有效数字 2 如图S4 9所示为 验证牛顿第二定律 的实验装置示意图 砂和砂桶的总质量为m 小车和砝码的总质量为M 实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小 图S4 9 1 实验中 为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力 先调节长木板一端滑轮的高度 使细线与长木板平行 接下来还需要进行的一项操作是 填正确答案标号 A 将长木板水平放置 让小车连着已经穿过打点计时器的纸带 给打点计时器通电 调节m的大小 使小车在砂和砂桶的牵引下运动 从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B 将长木板的一端垫起适当的高度 让小车连着已经穿过打点计时器的纸带 撤去砂和砂桶 给打点计时器通电 轻推小车 从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 C 将长木板的一端垫起适当的高度 撤去纸带以及砂和 砂桶 轻推小车 观察判断小车是否做匀速运动 2 如图S4 10所示是实验中得到的一条纸带 A B C D E F G为7个相邻的计数点 相邻的两个计数点之间还有四个点未画出 量出相邻的计数点之间的距离分别为 xAB 4 22cm xBC 4 65cm xCD 5 08cm xDE 5 49cm xEF 5 91cm xFG 6 34cm 已知打点计时器的工作频率为50Hz 则小车的加速度a m s2 计算结果保留两位有效数字 图S4 10 答案 1 B 2 0 42 考点2对数据处理和误差分析的考查 1 图象法处理数据 根据记录的a F M数据 分别作 1 M 与作用力成正比 与质量成反比 2 误差分析 本实验的误差主要来源于质量的测量 纸带上打点计时器打点间隔距离的测量 拉线或纸带不与木板平行 平衡摩擦力不准等 实验原理不完善也会造成系统误差 a F a 图象 如果图象是一条过原点的直线 就证明加速度 重点归纳 典例剖析例2 2015年河北高阳中学模拟 用如图S4 11甲所示的实验装置验证牛顿第二定律 1 某同学通过实验得到如图乙所示的a F图象 造成这一结果的原因是 在平衡摩擦力时木板与水平桌面间的倾角 填 偏大 或 偏小 甲 乙 图S4 11 2 该同学在平衡摩擦力后进行实验 实际小车在运动过程中所受的拉力 砝码和盘的总重力 填 大于 小于 或 等于 为了便于探究 减小误差 应使小车质量M与砝码和盘的总质量m满足 的条件 3 某同学得到如图S4 12所示的纸带 已知打点计时器电源频率为50Hz A B C D E F G是纸带上7个连续的点 s sDG sAD cm 由此可算出小车的加速度a m s2 计算结果保留两位有效数字 图S4 12 思维点拨 图线不过原点 与a轴有交点 即表示没有拉力时 就有加速度 说明平衡摩擦力过度 解析 1 从图象可以得出 还没有拉力时 就已经存在加速度 说明斜面倾角过大造成的 其中a0表示没有任何拉力时 小车的加速度 2 小车实际受到的拉力要小于砝码和砝码盘的总重力 为减小误差 实验中必须满足M m 3 从刻度尺上读出sDG 3 90cm sAD 2 10cm 因此 s sDG sAD 1 80cm 根据 s aT2得加速度a 1 8 10 20 062 5 0m s2 答案 1 偏大 2 小于M m 3 1 805 0 备考策略 用图象法处理数据 要设计好刻度 根据数据确定点的位置 将点用一条直线连起来 延长交于坐标轴某一点 处理图象问题要注意图线的斜率 交点 拐点 面积等意义 能正确理解这些量的意义则很多问题将会迎刃而解 考点练透 3 2015年广东深圳五校联考 探究加速度与物体质量的 关系 的实验装置如图S4 13甲所示 甲 乙 丙 图S4 13 1 安装实验装置时 应调整定滑轮的高度 使拉小车的细线在实验过程中保持与 填 桌面 或 长木板 平行 2 平衡摩擦力后 为了验证小车的加速度与其质量的定量 关系 必须采用 法 3 保持小车受力不变 测量不同质量的小车在这个力作用下的加速度 某次实验中打出如图乙所示的纸带 打点计时器电源的频率为50Hz 则这个加速度a 4 某同学把实验得到的几组数据画成图丙的a m图象 为了更直观描述物体的加速度跟其质量的关系 你应该建议他改画a和 的关系图象 解析 1 为了减小实验过程中的摩擦力 细线和长木板应保持平行 2 为了验证小车的加速度与其质量的定量关系 必须保证受力恒定 所以采用控制变量法 3 根据匀变速直线运动过程中在相等时间内走过的位移差是一个定值 则x23 x12成反比 在a m图象中应该是双曲线 但是实验得出的各组数1m是正比例函数 此时各组数据是不是落在同一条直线上是非常1m 答案 1 长木板 2 控制变量 3 0 16m s2 1 4 m m s2 4 由牛顿第二定律F ma可知当合外力F不变时m与a 据是不是落在同一条双曲线上是不好判断的 但是a 的关系 容易观察的 所以图象坐标应该选用a 4 2015年福建宁德质检 某次 探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系 实验过程中 甲 乙 图S4 14 1 图S4 14甲所示为实验装置图 图乙为某次实验得到的一段纸带 计数点A B C D E间的时间间隔为0 1s 根据纸带可求出小车的加速度大小为 m s2 计算结果保留两位有效数字 2 保持小车质量不变 改变砂和砂桶的质量 进行多次测量 根据实验数据做出了加速度a随拉力F的变化图象 如图S4 15所示 图中直线没有通过原点 其主要原因是 图S4 15 次测量 得到小车加速度a 质量m及其对应的的数据如表 3 保持砂和砂桶质量不变 改变小车中砝码质量 进行多 1 m 中所示 1 m 请在如图S4 16所示的坐标纸中画出a 图线 根据作出的a 图象可以得到的结论是 1 m 图S4 16 1 m 答案 1 0 43 2 实验前未平衡摩擦力 或平衡摩擦力不充分 3 如图D24所示 图D24 合外力一定时 加速度跟质量成反比 考点3涉及光电门实验的新题型 光电门是一个像门一样的装置 一边安装发光装置 一边安装接收装置并与计时装置连接 当物体通过光电门时光被挡住 计时器开始计时 当物体离开时停止计时 这样就可以根据物体大小与运动时间计算物体运动的速度 若计时装置具备 重点归纳 运算功能 使用随机配置的挡光片 宽度一定 可以直接测量物体的瞬时速度 典例剖析 例3 如图S4 17甲所示的光电门传感器是测定瞬时速度大小的仪器 其原理是发射端发出一束很细的红外线到接收端 当固定在运动物体上的一个已知宽度为d的挡光板通过光电门挡住红外线时 和它连接的数字计时器可记下挡光的时间 t 则可以求出运动物体通过光电门时的瞬时速度大小 甲 乙 丙 图S4 17 1 为了减小测量瞬时速度的误差 应该选择宽度比较 填 宽 或 窄 的挡光板 2 如图乙所示是某同学利用光电门传感器探究小车加速度与力之间关系的实验装置 他将该光电门固定在水平轨道上的B点 用不同重物通过细线拉同一小车 小车每次都从同一位置A点由静止释放 图S4 18 如图丙所示 用游标卡尺测出挡光板的宽度d mm 实验时将小车从图乙中的A点由静止释放 由数字计时器记下挡光板通过光电门时挡光的时间间隔 t 0 02s 则小车通过光电门时的瞬时速度大小为 m s 实验中设小车的质量为m1 重物的质量为m2 则在m1与m2满足关系 时可近似认为细线对小车的拉力大小与重物的重力大小相等 测出多组重物的质量m2和对应挡光板通过光电门的时间间隔 并算出小车经过光电门时的速度v 通过描点作出线性图象 研究小车的加速度与力之间的关系 如图S4 18所示 处理数据时应作出 填 v m2 或 v2 m2 图象 某同学在 中作出的线性图象不过坐标原点 其可能的 原因是 思维点拨 光电门会自动记录滑块通过光电门的时间 用 可以看成是瞬时速度 解析 1 短时间内的平均速度大小可以近似认为是该时刻的瞬时速度大小 所以应该选择宽度比较窄的挡光板 2 游标卡尺的主尺读数为11mm 游标读数为0 05 10mm 0 50mm 所以最终读数为 11mm 0 50mm 11 50mm 数字计时器记录通过光电门的时间 由位移公式计算出物体通过光电门的平均速度 用该平均速度代替物体的瞬 d t 时速度 故在遮光条经过光电门时小车的瞬时速度v 0 575m s 该实验的研究对象是小车 采用控制变量法研究 当质量一定时 研究小车的加速度和小车所受合外力的关系 那么小车的合外力怎么改变和测量呢 为消除摩擦力对实验的影响 可以把没有滑轮的木板一端适当垫高 以使小车的重力沿斜面分力和摩擦力抵消 那么小车的合力就是绳子的拉力 根据牛顿第二定律得 对m2 m2g F拉 m2a 开始当小车挂上重物时 加速度却为零 线性图象不过坐标原点 故导致图象不过原点的原因是木板倾角偏小 即说明操作过程中没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足 答案 1 窄 2 11 500 575 m1 m2 v2 m2 操作过程中没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不 足 由题意可知 m1 s不变 画出v2 m2图象 若图象为过原点的直线 则说明外力和加速度成正比 故画出v2 m2图象可以直观的得出结论 备考策略 光电门 光电计时器是新引进的器材和实验 在未来高考命题中出现的几率较大 如何学会正确阅读并找出有效信息和规律是近年高考命题者常思考的一个重要问题 命题者想通过这类命题来引导学生提高阅读和理解能力 学会化繁为简 这也是提高创新能力的重要途径之一 5 2015年湖北孝感检测 某同学利用如图S4 19所示的装置探究 小车的加速度与所受合外力的关系 具体实验步骤如下 图S4 19 考点练透 B 调节长木板的倾角 轻推小车后 使小车沿长木板向 下运动 且通过两个光电门的时间相等 C 取下细绳和砂桶 测量砂子和桶的质量m 并记下 D 保持长木板的倾角不变 不挂砂桶 将小车置于靠近滑轮的位置 由静止释放小车 记录小车先后通过光电门甲和乙时显示的时间 E 重新挂上细绳和砂桶 改变砂桶中砂子的质量 重复 B D步骤 A 按照图示安装好实验装置 挂上砂桶 含少量砂子 1 若砂桶和砂子的总质量为m 小车的质量为M 重力加速度为g 则步骤D中小车加速下滑时所受合外力的大小为 忽略空气阻力 图S4 20 2 如图S4 20所示 用游标卡尺测得遮光片宽度d mm 3 若遮光片的宽度为d 光电门甲 乙之间的距离为l 显示的时间分别为t1 t2 则小车的加速度a 4 有关本实验的说法正确的是 A 砂桶和砂子的总质量必须远远小于小车的质量B 小车的质量必须远远小于砂桶和砂子的总质量C 平衡摩擦力时要取下细绳和砂桶D 平衡摩擦力时不能取下细绳和砂桶