高考物理一輪總復習 專題三 實驗四 驗證牛頓運動定律課件 新人教版.ppt

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實驗四 驗證牛頓運動定律 實驗準備 實驗目的 控制變量 力 質(zhì)量 學會用 法來研究物理規(guī)律 探究 與 的關系 進而驗證牛頓第二定律 實驗原理 控制變量 探究加速度a與力F及質(zhì)量M的關系時 應用的基本方法是 法 即先控制一個參量 小車的質(zhì)量M不變 討論加速度a與力F的關系 再控制細砂和砂桶的質(zhì)量不變 即力F不變 改變小車質(zhì)量M 討論加速度a與M的關系 加速度 實驗器材打點計時器 紙帶及復寫紙 小車 一端附有滑輪的長木板 砂桶 細繩 細砂 低壓交流電源 天平 刻度尺 砝碼 實驗過程實驗步驟 1 用天平分別測出 和 的質(zhì)量M和m 把數(shù)值記錄下來 砂和砂桶 2 按圖S4 1所示把實驗器材安裝好 圖S4 1 小車 3 平衡摩擦力 在長木板 的一端下面墊上一塊薄木板 反復移動其位置 直至 的小車剛好在斜面上保持 為止 4 將砂桶通過細繩系在小車上 先 后 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 放開小車 5 保持 不變 改變砂桶中的細砂量 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) 細砂和砂桶的質(zhì)量 6 建立坐標系 用縱坐標表示加速度 橫坐標表示力 在坐標系上描點 畫出相應的圖線以驗證a與F的關系 7 保持 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a與M的關系 沒有滑輪 未掛沙桶 勻速直線運動 接通電源 小車的質(zhì)量 注意事項 1 每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量 重物質(zhì)量的條件下打出 只有如此 重物重力才可視 為小車受到的拉力 遠大于 2 改變拉力和小車質(zhì)量后 每次開始時小車應盡量靠近 并應先接通電源 再放開小車 且應在小車到達 滑輪前按住小車 打點計時器 3 作圖象時 要使盡可能多的點在所作直線上 不在直線上的點應盡可能對稱分布在所作直線的兩側(cè) 實驗分析 4 作圖時兩坐標軸標度比例要選擇適當 各量須采用國際單位 這樣作圖線時 坐標點間距不至于過密 誤差會小些 5 為提高測量精度 可以采取下列措施 應舍掉紙帶上開頭比較密集的點 在后邊便于測量的地 方找一個起點 可以把每打五次點的時間作為單位時間 即從開始點起 每隔四個點標出一個計數(shù)點 而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T 0 1s 圖象分析 1 未平衡阻力對圖象的影響 對小車在傾斜的木板上的受力情況進行分析 如圖S4 2所示 f為M受到的摩擦力 f 為 紙帶等的阻力 由牛頓第二定律可得a F Mgsin f f M 因此調(diào)節(jié) 可平衡摩擦力 并且只要平衡一次即可 圖S4 2 若摩擦力未平衡或平衡不足 太小 則a0 0 此時a F 圖象如圖S4 3甲所示 圖S4 3 若摩擦力平衡過度 太大 則a0 0 此時a F圖象如圖 乙所示 2 平衡摩擦力和阻力后 如果砂桶和細砂的質(zhì)量m太大 會使圖線彎曲 實際上小車受到的拉力與mg并不相等 由牛 即a F圖象會隨著F的不斷增大往F軸彎曲 如圖S4 4所示 因此做實驗時要保證M m 圖S4 4 圖S4 5 實驗改進 本實驗中可以用氣墊導軌來代替長木板 這樣就省去了平衡小車摩擦力的麻煩 小車的加速度也可以利用傳感器 借助于計算機來處理 基礎檢測 2015年廣東深圳模擬 某同學做 探究加速度與力的關系 的實驗 實驗的探究對象是鋁塊 質(zhì)量小于砂桶 在靜止釋放輕繩前 裝置如圖S4 6甲所示 甲 乙 圖S4 6 1 該同學在實驗操作中有兩處明顯錯誤 分別是 和 2 糾錯后開始實驗 保持鋁塊的質(zhì)量m不變 通過在砂桶中添加砂來改變對鋁塊的拉力 每次釋放輕繩 由力傳感器可測得拉力的大小F 由紙帶上打出的點可算出對應加速度的大小a 已知重力加速度為g 該同學根據(jù)多組實驗數(shù)據(jù)畫出如圖乙所示的一條過坐標原點的直線 他標注縱軸為加速度a 但忘記標注橫軸 你認為橫軸代表的物理量是 用所給的字母表示 3 若把力傳感器裝在右側(cè)輕繩上則實驗的誤差會更 填 大 或 小 要進行打點的紙 答案 1 打點計時器錯接在直流電源上帶留得太短 2 F mg 3 大 考點1實驗原理 步驟及器材的調(diào)整 重點歸納 平衡摩擦力的方法 1 在平衡摩擦力時 不要把懸掛重物的細線系在小車上 即不要給小車加任何牽引力 讓小車拖著紙帶打點運動 調(diào)整長木板的傾角 直到紙帶上打點均勻為止 2 實驗平衡了摩擦力后 不管以后是改變重物質(zhì)量 還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量 都不需要重新平衡摩擦力 典例剖析例1 2015年廣東惠州二調(diào) 某同學設計了如圖S4 7甲 乙所示的實驗裝置來探究加速度與物體質(zhì)量 物體受力的關系 甲 乙 丙圖S4 7 1 填 甲 或 乙 實驗裝置比較好 原因是 2 該同學選擇比較理想的實驗裝置后 在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中 打出了一條紙帶如圖丙所示 計時器打點的時間間隔為0 02s 從比較清晰的點起 每5個點取一個計數(shù)點 量出相鄰計數(shù)點之間的距離 該小車的加速度a m s2 計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 3 在實驗誤差允許范圍內(nèi) 當小車的質(zhì)量不變時 小車的加速度與小車的合外力滿足 圖的關系 AC BD 思維點撥 解本題的關鍵是思考甲裝置加了拉力傳感器后 對實驗產(chǎn)生什么樣的影響 解析 1 甲裝置加了拉力傳感器后 甲圖通過拉力傳感器能夠準確得到小車受到的拉力大小 不需像乙圖那樣要使小車的總質(zhì)量遠遠大于鉤碼的質(zhì)量才能近似認為小車受到的拉力等于鉤碼的重力 2 取第一段和第三段來進行計算 s 2aT2 以準確測量出拉力的大小 就不存在由于鉤碼的質(zhì)量太大而引起的誤差 故選A 答案 1 甲 甲裝置加了拉力傳感器 不需要像乙裝置那 樣要使小車的總質(zhì)量遠遠大于鉤碼的質(zhì)量才能近似認為小車受到的拉力等于鉤碼的重力 2 0 16 3 A備考策略 弄清實驗原理 步驟及器材調(diào)整是對實驗備考的基本要求 是創(chuàng)新實驗的根基 它常成為考查的內(nèi)容之一 考點練透 1 2015年云南一模 一學生用如圖S4 8甲所示的裝置測量木塊與木板間的動摩擦因數(shù) 在桌面上放置一塊水平長木板 木板一端帶滑輪 另一端固定一打點計時器 木塊一端拖著穿過打點計時器的紙帶 另一端連接跨過定滑輪的繩子 在繩子上懸掛一定質(zhì)量的鉤碼后可使木塊在木板上勻加速滑動 實驗中測得木塊質(zhì)量M 150g 鉤碼質(zhì)量m 50g 甲 乙 圖S4 8 1 實驗開始時 應調(diào)整滑輪的高度 讓細線與木板 2 實驗中得到如圖乙所示的紙帶 紙帶上A B C D E是計數(shù)點 相鄰兩計數(shù)點之間的時間間隔是0 10s 所測數(shù)據(jù)在圖中已標出 根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可求得木塊運動的加速度a m s2 計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 3 根據(jù)實驗原理可導出計算動摩擦因數(shù)的表達式 用M m g a表示 取g 10m s2 代入相關數(shù)據(jù)可求得 計算結(jié)果保留一位有效數(shù)字 2 如圖S4 9所示為 驗證牛頓第二定律 的實驗裝置示意圖 砂和砂桶的總質(zhì)量為m 小車和砝碼的總質(zhì)量為M 實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小 圖S4 9 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 填正確答案標號 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 調(diào)節(jié)m的大小 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 如圖S4 10所示是實驗中得到的一條紙帶 A B C D E F G為7個相鄰的計數(shù)點 相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出 量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為 xAB 4 22cm xBC 4 65cm xCD 5 08cm xDE 5 49cm xEF 5 91cm xFG 6 34cm 已知打點計時器的工作頻率為50Hz 則小車的加速度a m s2 計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 圖S4 10 答案 1 B 2 0 42 考點2對數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查 1 圖象法處理數(shù)據(jù) 根據(jù)記錄的a F M數(shù)據(jù) 分別作 1 M 與作用力成正比 與質(zhì)量成反比 2 誤差分析 本實驗的誤差主要來源于質(zhì)量的測量 紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量 拉線或紙帶不與木板平行 平衡摩擦力不準等 實驗原理不完善也會造成系統(tǒng)誤差 a F a 圖象 如果圖象是一條過原點的直線 就證明加速度 重點歸納 典例剖析例2 2015年河北高陽中學模擬 用如圖S4 11甲所示的實驗裝置驗證牛頓第二定律 1 某同學通過實驗得到如圖乙所示的a F圖象 造成這一結(jié)果的原因是 在平衡摩擦力時木板與水平桌面間的傾角 填 偏大 或 偏小 甲 乙 圖S4 11 2 該同學在平衡摩擦力后進行實驗 實際小車在運動過程中所受的拉力 砝碼和盤的總重力 填 大于 小于 或 等于 為了便于探究 減小誤差 應使小車質(zhì)量M與砝碼和盤的總質(zhì)量m滿足 的條件 3 某同學得到如圖S4 12所示的紙帶 已知打點計時器電源頻率為50Hz A B C D E F G是紙帶上7個連續(xù)的點 s sDG sAD cm 由此可算出小車的加速度a m s2 計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 圖S4 12 思維點撥 圖線不過原點 與a軸有交點 即表示沒有拉力時 就有加速度 說明平衡摩擦力過度 解析 1 從圖象可以得出 還沒有拉力時 就已經(jīng)存在加速度 說明斜面傾角過大造成的 其中a0表示沒有任何拉力時 小車的加速度 2 小車實際受到的拉力要小于砝碼和砝碼盤的總重力 為減小誤差 實驗中必須滿足M m 3 從刻度尺上讀出sDG 3 90cm sAD 2 10cm 因此 s sDG sAD 1 80cm 根據(jù) 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 備考策略 用圖象法處理數(shù)據(jù) 要設計好刻度 根據(jù)數(shù)據(jù)確定點的位置 將點用一條直線連起來 延長交于坐標軸某一點 處理圖象問題要注意圖線的斜率 交點 拐點 面積等意義 能正確理解這些量的意義則很多問題將會迎刃而解 考點練透 3 2015年廣東深圳五校聯(lián)考 探究加速度與物體質(zhì)量的 關系 的實驗裝置如圖S4 13甲所示 甲 乙 丙 圖S4 13 1 安裝實驗裝置時 應調(diào)整定滑輪的高度 使拉小車的細線在實驗過程中保持與 填 桌面 或 長木板 平行 2 平衡摩擦力后 為了驗證小車的加速度與其質(zhì)量的定量 關系 必須采用 法 3 保持小車受力不變 測量不同質(zhì)量的小車在這個力作用下的加速度 某次實驗中打出如圖乙所示的紙帶 打點計時器電源的頻率為50Hz 則這個加速度a 4 某同學把實驗得到的幾組數(shù)據(jù)畫成圖丙的a m圖象 為了更直觀描述物體的加速度跟其質(zhì)量的關系 你應該建議他改畫a和 的關系圖象 解析 1 為了減小實驗過程中的摩擦力 細線和長木板應保持平行 2 為了驗證小車的加速度與其質(zhì)量的定量關系 必須保證受力恒定 所以采用控制變量法 3 根據(jù)勻變速直線運動過程中在相等時間內(nèi)走過的位移差是一個定值 則x23 x12成反比 在a m圖象中應該是雙曲線 但是實驗得出的各組數(shù)1m是正比例函數(shù) 此時各組數(shù)據(jù)是不是落在同一條直線上是非常1m 答案 1 長木板 2 控制變量 3 0 16m s2 1 4 m m s2 4 由牛頓第二定律F ma可知當合外力F不變時m與a 據(jù)是不是落在同一條雙曲線上是不好判斷的 但是a 的關系 容易觀察的 所以圖象坐標應該選用a 4 2015年福建寧德質(zhì)檢 某次 探究加速度a跟物體所受合力F和質(zhì)量m的關系 實驗過程中 甲 乙 圖S4 14 1 圖S4 14甲所示為實驗裝置圖 圖乙為某次實驗得到的一段紙帶 計數(shù)點A B C D E間的時間間隔為0 1s 根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為 m s2 計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 2 保持小車質(zhì)量不變 改變砂和砂桶的質(zhì)量 進行多次測量 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出了加速度a隨拉力F的變化圖象 如圖S4 15所示 圖中直線沒有通過原點 其主要原因是 圖S4 15 次測量 得到小車加速度a 質(zhì)量m及其對應的的數(shù)據(jù)如表 3 保持砂和砂桶質(zhì)量不變 改變小車中砝碼質(zhì)量 進行多 1 m 中所示 1 m 請在如圖S4 16所示的坐標紙中畫出a 圖線 根據(jù)作出的a 圖象可以得到的結(jié)論是 1 m 圖S4 16 1 m 答案 1 0 43 2 實驗前未平衡摩擦力 或平衡摩擦力不充分 3 如圖D24所示 圖D24 合外力一定時 加速度跟質(zhì)量成反比 考點3涉及光電門實驗的新題型 光電門是一個像門一樣的裝置 一邊安裝發(fā)光裝置 一邊安裝接收裝置并與計時裝置連接 當物體通過光電門時光被擋住 計時器開始計時 當物體離開時停止計時 這樣就可以根據(jù)物體大小與運動時間計算物體運動的速度 若計時裝置具備 重點歸納 運算功能 使用隨機配置的擋光片 寬度一定 可以直接測量物體的瞬時速度 典例剖析 例3 如圖S4 17甲所示的光電門傳感器是測定瞬時速度大小的儀器 其原理是發(fā)射端發(fā)出一束很細的紅外線到接收端 當固定在運動物體上的一個已知寬度為d的擋光板通過光電門擋住紅外線時 和它連接的數(shù)字計時器可記下?lián)豕獾臅r間 t 則可以求出運動物體通過光電門時的瞬時速度大小 甲 乙 丙 圖S4 17 1 為了減小測量瞬時速度的誤差 應該選擇寬度比較 填 寬 或 窄 的擋光板 2 如圖乙所示是某同學利用光電門傳感器探究小車加速度與力之間關系的實驗裝置 他將該光電門固定在水平軌道上的B點 用不同重物通過細線拉同一小車 小車每次都從同一位置A點由靜止釋放 圖S4 18 如圖丙所示 用游標卡尺測出擋光板的寬度d mm 實驗時將小車從圖乙中的A點由靜止釋放 由數(shù)字計時器記下?lián)豕獍逋ㄟ^光電門時擋光的時間間隔 t 0 02s 則小車通過光電門時的瞬時速度大小為 m s 實驗中設小車的質(zhì)量為m1 重物的質(zhì)量為m2 則在m1與m2滿足關系 時可近似認為細線對小車的拉力大小與重物的重力大小相等 測出多組重物的質(zhì)量m2和對應擋光板通過光電門的時間間隔 并算出小車經(jīng)過光電門時的速度v 通過描點作出線性圖象 研究小車的加速度與力之間的關系 如圖S4 18所示 處理數(shù)據(jù)時應作出 填 v m2 或 v2 m2 圖象 某同學在 中作出的線性圖象不過坐標原點 其可能的 原因是 思維點撥 光電門會自動記錄滑塊通過光電門的時間 用 可以看成是瞬時速度 解析 1 短時間內(nèi)的平均速度大小可以近似認為是該時刻的瞬時速度大小 所以應該選擇寬度比較窄的擋光板 2 游標卡尺的主尺讀數(shù)為11mm 游標讀數(shù)為0 05 10mm 0 50mm 所以最終讀數(shù)為 11mm 0 50mm 11 50mm 數(shù)字計時器記錄通過光電門的時間 由位移公式計算出物體通過光電門的平均速度 用該平均速度代替物體的瞬 d t 時速度 故在遮光條經(jīng)過光電門時小車的瞬時速度v 0 575m s 該實驗的研究對象是小車 采用控制變量法研究 當質(zhì)量一定時 研究小車的加速度和小車所受合外力的關系 那么小車的合外力怎么改變和測量呢 為消除摩擦力對實驗的影響 可以把沒有滑輪的木板一端適當墊高 以使小車的重力沿斜面分力和摩擦力抵消 那么小車的合力就是繩子的拉力 根據(jù)牛頓第二定律得 對m2 m2g F拉 m2a 開始當小車掛上重物時 加速度卻為零 線性圖象不過坐標原點 故導致圖象不過原點的原因是木板傾角偏小 即說明操作過程中沒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 操作過程中沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不 足 由題意可知 m1 s不變 畫出v2 m2圖象 若圖象為過原點的直線 則說明外力和加速度成正比 故畫出v2 m2圖象可以直觀的得出結(jié)論 備考策略 光電門 光電計時器是新引進的器材和實驗 在未來高考命題中出現(xiàn)的幾率較大 如何學會正確閱讀并找出有效信息和規(guī)律是近年高考命題者常思考的一個重要問題 命題者想通過這類命題來引導學生提高閱讀和理解能力 學會化繁為簡 這也是提高創(chuàng)新能力的重要途徑之一 5 2015年湖北孝感檢測 某同學利用如圖S4 19所示的裝置探究 小車的加速度與所受合外力的關系 具體實驗步驟如下 圖S4 19 考點練透 B 調(diào)節(jié)長木板的傾角 輕推小車后 使小車沿長木板向 下運動 且通過兩個光電門的時間相等 C 取下細繩和砂桶 測量砂子和桶的質(zhì)量m 并記下 D 保持長木板的傾角不變 不掛砂桶 將小車置于靠近滑輪的位置 由靜止釋放小車 記錄小車先后通過光電門甲和乙時顯示的時間 E 重新掛上細繩和砂桶 改變砂桶中砂子的質(zhì)量 重復 B D步驟 A 按照圖示安裝好實驗裝置 掛上砂桶 含少量砂子 1 若砂桶和砂子的總質(zhì)量為m 小車的質(zhì)量為M 重力加速度為g 則步驟D中小車加速下滑時所受合外力的大小為 忽略空氣阻力 圖S4 20 2 如圖S4 20所示 用游標卡尺測得遮光片寬度d mm 3 若遮光片的寬度為d 光電門甲 乙之間的距離為l 顯示的時間分別為t1 t2 則小車的加速度a 4 有關本實驗的說法正確的是 A 砂桶和砂子的總質(zhì)量必須遠遠小于小車的質(zhì)量B 小車的質(zhì)量必須遠遠小于砂桶和砂子的總質(zhì)量C 平衡摩擦力時要取下細繩和砂桶D 平衡摩擦力時不能取下細繩和砂桶