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 質量的關系 進而驗證牛頓第二定律 2 實驗原理探究加速度a與力F及質量m的關系時 應用的基本方法 是控制變量法 1 控制小車的質量m不變 討論 與 的 關系 2 控制桶和砂的質量不變 即力F不變 改變 討論 與 的關系 加速度a 力F 小車質量m 加速度a 小車質量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 實驗步驟及器材調整 1 用天平分別測出小車和小桶的質量M和m 把數值記錄下來 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 保持小車的質量不變 改變小桶中的砂量 測量砂和小桶質量m 重復步驟 4 每次記錄必須在相應的紙帶上做上標記 列表格將記錄的數據填寫在表內 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 關系 加速度 力 a F 7 保持砂及小桶的質量不變 改變小車的質量 在小車上增減砝碼 重復上述步驟 5 6 驗證 與 的關系 加速度a 小車質量M 5 數據處理 1 利用 x aT2及逐差法求a 2 以a為縱坐標 F為橫坐標 根據各組數據描點 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量M 砂和小桶質量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 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 偶然誤差質量測量不準確 計數點間距測量不準確 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量用M表示 砂和砂桶的質量用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的高度 讓小車連著已經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的高度 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 每相鄰兩個計數點間還有4個點未畫出 利用如圖S4 3所示給出的數據可求出小車運動的加速度a m s2 計算結果保留3位有效數字 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的高度 讓小車連著已經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 對數據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的關系時 所得到的實驗結果如下表所示 外力F 0 1N 圖S4 4 圖S4 5 請你完善表中數據 并在圖S4 5中給出的坐標紙上畫出 由圖象可得到的結論是 2 乙同學在探究 加速度與外力關系 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 小車的質量為 kg 計算結果保留2位有效數字 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字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼的質量m的對應關系圖 如圖乙所示 實驗中小車 含發(fā)射器 的質量為200g 實驗時選擇了不可伸長的輕質細繩和輕定滑輪 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 根據該同學的結果 小車的加速度與鉤碼的質量成 填 線性 或 非線性 關系 2 由圖乙可知 a m圖線不經過原點 可能的原因是 3 若利用本實驗裝置來驗證 在小車質量不變的情況下 小車的加速度與作用力成正比 的結論 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量成非線性關系 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 在滿足鉤碼質量遠小于小車質量的條件下 可以得出在小車質量不變的情況下拉力與加速度成正比的結論 答案 1 非線性 2 存在摩擦力 3 調節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力 遠小于小車的質量 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 數據處理方法的創(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 應使滑塊質量遠大于鉤碼和力傳感器的總質量B 應使A位置與光電門間的距離適當大些C 應將氣墊導軌調節(jié)水平D 應使細線與氣墊導軌平行 4 改變鉤碼質量 測出對應的力傳感器的示數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系 處理數據時應作出 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 由數字計時器讀出遮光條通過光電門B的時間t 滑塊經過光電門時的瞬時速度可近似認為是滑塊經過光電門的平均速度 根據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 故與小車質量和鉤碼質量大小關系無關 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 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 經數據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 計算結果保留2位有效數字 將結果填入下表 4 利用表中的數據在圖乙中補齊數據點 并作出a n圖象 從圖象可以看出 當物體質量一定時 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 的質量為 kg 計算結果保留2位有效數字 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 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