2019版高考物理一轮复习 实验四 验证牛顿运动定律课件.ppt

实验四 验证牛顿运动定律 1 实验目的 1 学会用控制变量法来研究物理规律 2 学会灵活运用图象法处理物理问题的方法 3 探究加速度与力 质量的关系 进而验证牛顿第二定律 2 实验原理探究加速度a与力F及质量m的关系时 应用的基本方法 是控制变量法 1 控制小车的质量m不变 讨论 与 的 关系 2 控制桶和砂的质量不变 即力F不变 改变 讨论 与 的关系 加速度a 力F 小车质量m 加速度a 小车质量m 3 实验器材 低压交流 天平 刻度尺 打点计时器 纸带及复写纸 小车 一端附有滑轮的长木板 小桶 细绳 砂 电源 砝码 4 实验步骤及器材调整 1 用天平分别测出小车和小桶的质量M和m 把数值记录下来 2 按图S4 1所示把实验器材安装好 图S4 1 3 平衡摩擦力 在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板 反复移动其位置 直至 填 挂 或 不挂 小桶的小车刚好在斜面上保持 运动为止 4 将小桶通过细绳系在小车上 接通电源放开小车 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 不挂 匀速 5 保持小车的质量不变 改变小桶中的砂量 测量砂和小桶质量m 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 6 建立坐标系 用纵坐标表示 横坐标表示 在坐标系上描点 画出相应的图象以验证 与 的 关系 加速度 力 a F 7 保持砂及小桶的质量不变 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 与 的关系 加速度a 小车质量M 5 数据处理 1 利用 x aT2及逐差法求a 2 以a为纵坐标 F为横坐标 根据各组数据描点 如果这些点在一条过原点的直线上 说明a与F成正比 3 以a为纵坐标 1m 为横坐标 描点 连线 如果该线过 原点 就能判定a与m成反比 6 注意事项 1 平衡摩擦力 适当垫高木板的右端 使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力 在平衡摩擦力时 不要把小桶系在小车上 而让小车拉着打点的纸带匀速运动 且在实验过程中 重复平衡摩擦力 2 实验条件 每次实验中均要求小车质量M 砂和小桶质量m 只有这样 才能使牵引小车的牵引力近似等于砂及 小桶的重力 不需要 3 一先一后一按 改变拉力或小车质量后 每次开始时 小车应尽量靠近打点计时器 并应先 后 且应在小车到达滑轮前按住小车 4 作图 作图象时 应使尽可能多的点在所作的直线上 不在直线上的点尽可能对称分布在所作直线的两侧 接通电源 释放小车 7 误差分析 1 系统误差以小车和小桶整体为研究对象得mg M m a 以小车为 的总重力mg代替小车的拉力 而实际上小车所受的拉力要小于小桶和砂的总重力 2 偶然误差质量测量不准确 计数点间距测量不准确 纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差 考点1 对实验原理与实验步骤的考查 典题1 2017年山东泰安高三第二轮质检 在 验证牛顿第二定律 的实验中 采用如图S4 2所示的实验装置 小车及车中砝码的质量用M表示 砂和砂桶的质量用m表示 小车的加速度可由小车后面拖动的纸带计算出 图S4 2 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 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 改变砂桶中砂的多少 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 实验中要进行质量m和M的选取 以下最合理的一组 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 已知打点计时器使用的交变电流频率为50Hz 每相邻两个计数点间还有4个点未画出 利用如图S4 3所示给出的数据可求出小车运动的加速度a m s2 计算结果保留3位有效数字 图S4 3 解析 1 为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力 需要平衡摩擦力 其方法是 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 故B正确 2 为了使砂和砂桶的重力等于小车所受的拉力 应满足m M 故选C 答案 1 B 2 C 3 1 58 考点2 对数据处理和误差分析的考查 典题2 在用图S4 4所示装置做 验证牛顿第二定律 的实验中 1 甲同学在外力F一定的条件下 探究a与M的关系时 所得到的实验结果如下表所示 外力F 0 1N 图S4 4 图S4 5 请你完善表中数据 并在图S4 5中给出的坐标纸上画出 由图象可得到的结论是 2 乙同学在探究 加速度与外力关系 的实验中得到的a F图象如图S4 6所示 则该图象中图线不过原点的原因是 小车的质量为 kg 计算结果保留2位有效数字 图S4 6 答案 1 5 00 如图D21所示 图D21 在外力一定的情况下 物体的加速度与质量成反比 0 28 0 26 0 29均 2 木板倾角过大 或平衡摩擦力过度 正确 迁移拓展 2014年新课标 卷 某同学利用如图S4 7甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图 如图乙所示 实验中小车 含发射器 的质量为200g 实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮 小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到 回答下列问题 甲 乙 图S4 7 1 根据该同学的结果 小车的加速度与钩码的质量成 填 线性 或 非线性 关系 2 由图乙可知 a m图线不经过原点 可能的原因是 3 若利用本实验装置来验证 在小车质量不变的情况下 小车的加速度与作用力成正比 的结论 并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力 则实验中应采取的改进措施是 钩码的质量应满足的条件是 解析 本题考查了验证牛顿第二定律的实验 1 根据图中描出的各点作出的图象不是一条直线 故小车的加速度和钩码的质量成非线性关系 2 图象不过原点 小车受到拉力但没有加速度 原因是有摩擦力的影响 3 平衡摩擦力之后 在满足钩码质量远小于小车质量的条件下 可以得出在小车质量不变的情况下拉力与加速度成正比的结论 答案 1 非线性 2 存在摩擦力 3 调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车的质量 1 实验器材的创新 1 利用光电门测滑块上的遮光条通过光电门的时间 2 利用气垫导轨代替长木板 3 利用力传感器测绳中拉力大小 2 实验原理的创新 利用力传感器测出细线拉力或选取整体作为研究对象 消除了因不满足m M而带来的实验误差 3 数据处理方法的创新 考向1 利用力传感器测量拉力的大小 典题3 2016年广东江门模拟 如图S4 8所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置 他在气垫导轨上安装了一个光电门B 滑块上固定一遮光条 滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连 传感器下方悬挂钩码 每次滑块都从A处由静止释放 图S4 8 1 该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d 如图S4 9所示 则d mm 图S4 9 2 实验时 将滑块从A位置由静止释放 由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t 若要得到滑块的加速度 还需要测量的物理量是 3 下列不必要的一项实验要求是 请填写选项前 对应的字母 A 应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量B 应使A位置与光电门间的距离适当大些C 应将气垫导轨调节水平D 应使细线与气垫导轨平行 4 改变钩码质量 测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t 通过描点作出线性图象 研究滑块的加速度与力的关系 处理数据时应作出 图象 填 t2 F 解析 1 由题图知第6条刻度线与主尺对齐 d 2mm 6 0 05mm 2 30mm 2 实验时 将滑块从A位置由静止释放 由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t 滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光电门的平均速度 根据运动学公式得若要得到滑块的加速度 还需要测量的物理量是遮光条到光电门的距离L 3 拉力是直接通过力传感器测量的 故与小车质量和钩码质量大小关系无关 故A项不必要 应使A位置与光电门间的距离适当大些 有利于减小误差 故B项必要 应将气垫导轨调节水平 拉力才等于合力 故C项必要 要保持拉线方向与木板平面平行 拉力才等于合力 故D项必要 故选A 答案 1 2 30 2 遮光条到光电门的距离L 3 A 考向2 选择整体作为研究对象 典题4 2016年新课标 卷 某物理课外小组利用图S4 10中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系 图中 置于实验台上的长木板水平放置 其右端固定一轻滑轮 轻绳跨过滑轮 一端与放在木板上的小滑车相连 另一端可悬挂钩码 本实验中可用的钩码共有N 5个 每个质量均为0 010kg 实验步骤如下 1 将5个钩码全部放入小车中 在长木板左下方垫上适当厚度的小物块 使小车 和钩码 可以在木板上匀速下滑 图S4 10 2 将n 依次取n 1 2 3 4 5 个钩码挂在轻绳右端 其余N n个钩码仍留在小车内 用手按住小车并使轻绳与木板平行 释放小车 同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s 绘制s t图象 经数据处理后可得到相应的加速度a 3 对应于不同的n的a值见下表 n 2时的s t图象如图S4 11甲所示 由图甲求出此时小车的加速度 计算结果保留2位有效数字 将结果填入下表 4 利用表中的数据在图乙中补齐数据点 并作出a n图象 从图象可以看出 当物体质量一定时 物体的加速度与其所受的合外力成正比 甲 乙 图S4 11 5 利用a n图象求得小车 空载 的质量为 kg 计算结果保留2位有效数字 重力加速度g取9 8m s2 6 若以 保持木板水平 来代替步骤 1 下列说法正确的 是 填正确选项前的序号 A a n图线不再是直线 B a n图线仍是直线 但该直线不过原点C a n图线仍是直线 但该直线的斜率变大 当t 2s时 s 0 78m 代入解得a 0 39m s2 4 由题意知描点法作图所得的必须是一条直线 5 对于挂在下面的n个钩码 有nmg F nma 对于小车 含剩下的钩码 有F M N n m a 两式相加得nmg M Nm a 6 木板水平时要考虑摩擦力的影响 对于挂在下面的n个钩码 有nmg F nma 对于小车 含剩下的钩码 有F M N n m g M N n m a 两式相加得nmg M N n m g M Nm a 去中括号得n mg mg M Nm g M Nm a 移项化简得n mg mg M Nm a g 可见a n图象仍是一条直线 但其斜率要变大 且不过坐标原点 答案 3 0 39 0 37 0 49均正确 4 如图S4 12所示 5 0 45 0 43 0 47均正确 6 BC 图S4 12 方法技巧 本实验还可以从以下两个方面创新 1 实验目的的创新 测木块与木板间的动摩擦因数 2 实验器材的创新 利用位移传感器测物体的位移 利用传感器测物体的速度或加速度