【與名師對話】2013屆高考物理總復習 第三章 第四講 實驗驗證牛頓運動定律課件 新人教版必修1

1、(對應學生用書P52)一、實驗目的1．學會用控制變量法研究物理規(guī)律；2．驗證牛頓第二定律；3．掌握利用圖象處理數據的方法．,二、實驗原理與方法1.驗證牛頓運動定律的實驗依據是牛頓運動定律，即F＝Ma，當研究對象有兩個以上的參量發(fā)生變化時，設法控制某些參量使之不變，而研究另外兩個參量之間的變化關系的方法叫控制變量法．本實驗中有力F、質量M和加速度a三個變量，研究加速度a與F及M的關系時，先控制質量M不變，討論加速度a與力F的關系

2、；然后再控制力F不變，討論加速度a與質量M的關系．2.實驗中需要測量的物理量和測量方法是：小車及砝碼的總質量M；用天平測出．小車受到的拉力F認為等于托盤和砝碼的總重力mg.小車的加速度a利用紙帶根據Δs＝aT_2計算．,三、實驗器材打點計時器、紙帶、復寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板、重物、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺、砝碼．四、實驗步驟及數據處理1.用天平測出小車和砝碼的總質量M，小盤和

3、砝碼的總質量m，把數值記錄下來．2.按如圖所示把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細繩系在車上，即不給小車加牽引力．,3.平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板．反復移動木板的位置，直至小車在斜面上運動時可以保持勻速直線運動狀態(tài)．這時，小車拖著紙帶運動時受到的摩擦阻力恰好與小車所受的重力在斜面方向上的分力平衡．4.把細繩系在小車上并繞過滑輪懸掛小盤，先接通電源再放開小車，打點計時器在紙帶上打下一系列的點，打完點后切斷電源

4、，取下紙帶，在紙帶上標上紙帶號碼．5.保持小車和砝碼的質量不變，在小盤里放入適量的砝碼，把小盤和砝碼的總質量m′記錄下來，重復步驟4.在小桶內再放入適量砝碼，記錄下小盤和砝碼的總質量m″，再重復步驟4.6.重復步驟5兩次，得到三條紙帶．,7．在每條紙帶上都選取一段比較理想的部分，標明計數點，測量計數點間的距離，算出每條紙帶上的加速度的值．8.用縱坐標表示加速度a，橫坐標表示作用力F，作用力的大小F等于小盤和砝碼的總重力，根據實驗結

5、果在坐標平面上畫出相應的點，如果這些點是在一條過原點的直線上，便證明了加速度與作用力成正比．9.保持小盤和砝碼的質量不變，在小車上加砝碼，重復上面的實驗，用縱坐標表示加速度a，橫坐標表示小車和砝碼總質量的倒數，根據實驗結果在坐標平面上畫出相應的點．如果這些點是在一條過原點的直線上，就證明了加速度與質量成反比．五、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

6、來處理．,(對應學生用書P52)要點一　　注意事項　　　1.一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調出一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力．在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運動．2.實驗步驟2、3不需要重復，即整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量，都不需要重新平衡摩擦力．,3.每條紙帶必須在

7、滿足小車與車上所加砝碼的總質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出．只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力．4.改變拉力和小車質量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再放開小車，且應在小車到達滑輪前按住小車．5.作圖象時，要使盡可能多的點分布在所作直線上，不在直線上的點應盡可能對稱分布在所作直線兩側．6.作圖時兩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

8、．,7.為提高測量精度(1)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．(2)可以把每打五次點的時間作為時間單位，即從開始點起，每五個點標出一個計數點，而相鄰計數點間的時間間隔為T＝0.1 s.,在本實驗中，以下說法正確的是(　　)A．平衡摩擦力時，小桶應用細線通過定滑輪系在小車上，但小桶內不能裝砂B．實驗中應始終保持小車和砝碼的質量遠遠大于砂和小桶的質量C．實驗中如果用縱坐標表示加速度，用橫坐標表示小車和車

9、內砝碼的總質量，描出相應的點在一條直線上時，即可證明加速度與質量成反比D．平衡摩擦力時，小車后面的紙帶必須連好，因為運動過程中紙帶也要受到阻力,[答案]　BD,要點二　　牛頓第二定律的實驗研究的方法　　　1.控制變量法牛頓第二定律研究的是物體的加速度a與物體所受的合外力F及物體的質量m之間的關系．采取的方法是控制變量法，先控制物體的質量不變，研究a與F的關系，然后控制物體所受的合外力F不變，研究a與m的關系，最后研究a、F、m三者

10、間的關系．這樣的方法叫做控制變量法．控制變量法是研究多個物理量之間的關系常用的重要實驗方法．,,在“探究加速度與物體質量、物體受力的關系”實驗中，某小組設計了如圖所示的實驗裝置．圖中上下兩層水平軌道表面光滑，兩小車前端系上細線，細線跨過定滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細線連到控制裝置上，實驗時通過控制裝置使小車同時開始運動，然后同時停止．,(1)在安裝實驗裝置時，應調整滑輪的高度，使________________；在實驗時，為減小系統(tǒng)誤

11、差，應使砝碼盤和砝碼的總質量__________小車的質量(選填“遠大于”“遠小于”或“等于”)．(2)本實驗通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因為______________________________________________________________________．[解析]　(1)在安裝實驗裝置時，應調整滑輪的高度，使小車與滑輪之間的細線水平(或與軌道平行)；實驗時，為減小誤差，應使砝

12、碼盤和砝碼的總質量遠小于小車的質量．只有這樣，才能認為小車所受的合外力近似等于砝碼盤和砝碼的總重力.,,(對應學生用書P53)題型一　　實驗數據的處理方法——圖象法，化曲為直的方法利用圖象處理數據是物理實驗中常用的重要方法．在實驗中如果發(fā)現一個量x與另一個量y成反比，那么，x就應與1/y成正比．因為在處理數據時，判斷正比例圖象比判斷一條曲線是否為反比例函數圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數的曲線轉化為正比例函數的直線進行處

13、理．,例1　(2011·重慶理綜)某同學設計了如圖甲所示的裝置，利用米尺、秒表、輕繩、輕滑輪、軌道、滑塊、托盤和砝碼等器材來測定滑塊和軌道間的動摩擦因數μ.滑塊和托盤上分別放有若干砝碼，滑塊質量為M，滑塊上砝碼總質量為m′，托盤和盤中砝碼的總質量為m.實驗中，滑塊在水平軌道上從A到B做初速為零的勻加速直線運動，重力加速度g取10 m/s2.,,(3)實驗得到a與m的關系如圖乙所示，由此可知μ＝________(取兩位有效數字)

14、,圖乙,,題型二　　實驗誤差來源與分析　　　(1)因實驗原理不完善引起的誤差．本實驗用重物重力(m＋M)g代替小車的拉力，而實際小車所受的拉力要小于重物重力．重物的總質量越接近小車和砝碼的總質量，誤差越大；反之，重物質量越小于小車和砝碼的總質量，由此引起的誤差就越?。虼?，滿足重物質量m遠小于小車和砝碼的總質量M的目的就是為了減小因實驗原理不完善而引起的誤差．此誤差可因m?M而減小，但不可能消去此誤差．證明如下：小車和重物的受力情況

15、如圖所示．,,例2　與打點計時器一樣，光電計時器也是一種研究物體運動情況的常見計時儀器，其結構如圖甲所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置．當有物體從a、b間通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間．現利用圖乙所示裝置設計一個“探究物體運動的加速度與合外力、質量關系”的實驗，圖中NQ是水平桌面、PQ是一端帶有滑輪的長木板，1、2是固定在木板上的兩個光電門(與之連接的兩光電計時器沒有畫出)．小車上固定著用于擋光的窄片K，讓小車從木

16、板的頂端滑下，光電門各自連接的計時器顯示窄片K的擋光時間分別為t1和t2.,(1)用游標卡尺測量窄片K的寬度d(已知l?d)，光電門1,2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為t1、t2，則窄片K通過光電門1的速度表達式v1＝__________.(2)用米尺測量兩光電門間距為l，則小車的加速度表達式a＝__________.(3)該實驗中，為了把砂和砂桶拉車的力當作小車受的合外力，就必須平衡小車受到的摩擦力，正確的做法是______

17、________________________． (4)實驗中，有位同學通過測量，把砂和砂桶的重力當作小車的合外力F，作出a－F圖線，如圖丙中的實線所示．試分析：圖線不通過坐標原點O的原因是__________；曲線上部彎曲的原因是__________．,,,,(1)明確圖象中截距、斜率的含義是解決此類問題的關鍵．(2)在a－F圖象中和a－1/M圖象中，只要不滿足小車質量M?m(m為砂桶和砂的質量)，就會出現圖象彎曲，圖象向F軸或

18、1/M軸彎曲．,(對應學生用書P54)1．(2011·陽江模擬)為了探究加速度與力的關系，使用如下圖所示的氣墊導軌裝置進行實驗．其中G1、G2為兩個光電門，它們與數字計時器相連，當滑行器通過G1、G2光電門時，光束被遮擋的時間Δt1、Δt2都可以被測量并記錄，滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質量為M，擋光片寬度為D，光電門間距離為x，牽引砝碼的質量為m.回答下列問題：,(1)實驗開始應先調節(jié)氣墊導軌下面的螺釘，使氣墊導軌

19、水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調節(jié)是否到位？答：________________________________________.(2)若取M＝0.4 kg，改變m的值，進行多次實驗，以下m的取值不合適的一個是__________．A．m1＝5 g 　　　　　B．m2＝15 gC．m3＝40 g D．m4＝400 g(3)在此實驗中，需要測得每一個牽引力對應的加速度，求得的加速度的表達式為__

20、__________________．(用Δt1、Δt2、D、x表示),,2．(2011·廣州聯考)某同學在做加速度和力、質量的關系的實驗中，測得小車的加速度a和拉力F的數據如下表所示：(1)根據表中的數據在右圖所示的坐標中作出a－F圖象；(2)圖象的斜率的物理意義是__________________；(3)圖象(或延長線)與F軸的截距的物理意義是_______________；(4)小車和砝碼的總質量為___

21、_______ kg.,,[答案]　(1)見解析圖 　(2)小車和砝碼的總質量的倒數　(3)小車受到的阻力為0.1 N　(4)1,3．(2011·南京模擬)某同學設計了一個探究加速度a與物體所受合力F及質量m關系的實驗，圖(a)所示為實驗裝置簡圖．(交流電的頻率為50 Hz)(1)圖(b)所示為某次實驗得到的紙帶，根據紙帶可求出小車的加速度大小為________ m/s2.(保留兩位有效數字),,,[答案]　見解析,

22、4．(2011·浙江永嘉三校第一次聯考)如圖所示的實驗裝置可以探究加速度與物體質量、物體受力的關系．小車上固定一個盒子，盒子內盛有沙子．沙桶的總質量(包括桶以及桶內沙子質量)記為m，小車的總質量(包括車、盒子及盒內沙子質量)記為M.(1)驗證在質量不變的情況下，加速度與合外力成正比：從盒子中取出一些沙子，裝入沙桶中，稱量并記錄沙桶的總重力mg，將該力視為合外力F，對應的加速度a則從打下的紙帶中計算得出．多次改變合外力F的大小

23、，每次都會得到一個相應的加速度．本次實驗中，桶內的沙子取自小車中，故系統(tǒng)的總質量不變．以合外力F為橫軸，以加速度a為縱軸，畫出a－F圖象，圖象是一條過原點的直線．,①a－F圖象斜率的物理意義是________．②你認為把沙桶的總重力mg當作合外力F是否合理？答：________.(填“合理”或“不合理”)③本次實驗中，是否應該滿足M?m這樣的條件？答：________(填“是”或“否”)；理由是________________

24、________________________________________________________．(2)驗證在合外力不變的情況下，加速度與質量成反比：保持桶內沙子質量m不變，在盒子內添加或去掉一些沙子，驗證加速度與質量的關系．本次實驗中，桶內的沙子總質量不變，故系統(tǒng)所受的合外力不變．用圖象法處理數據時，以加速度a為縱橫，應該以________倒數為橫軸．,(2)向小車內添加或去掉部分沙子，是改變系統(tǒng)的總質量M＋m，而系

25、統(tǒng)的合外力仍等于所懸掛沙桶的重力mg，保證了合外力不變．,不必滿足M?m這樣的條件．,5．(2010·山東)某同學設計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關系．彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接．在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數F0，以此表示滑動摩

26、擦力的大?。賹⒛景宸呕卦幉醋。^續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t.,①木板的加速度可以用d、t表示為a＝__________；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可)__________．②改變瓶中水的質量重復實驗，確定加速度a與彈簧秤示數F1的關系．下列圖象能表示該同學實驗結果的是________．,③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點

27、是__________．a．可以改變滑動摩擦力的大小b．可以更方便地獲取多組實驗數據c．可以比較精確地測出摩擦力的大小d．可以獲得更大的加速度以提高實驗精度,,6．(2011·佛山聯考)某研究性學習小組欲探究光滑斜面上物體下滑的加速度與物體質量及斜面傾角是否有關系．實驗室提供如下器材：A．表面光滑的長木板(長度為L)；B.小車；C.質量為m的鉤碼若干個；D.方木塊(備用于墊木板)；E.米尺；F.秒表．(1)實驗過程

28、：第一步，在保持斜面傾角不變時，探究加速度與質量的關系．實驗中，通過向小車放入鉤碼來改變物體的質量，只要測出小車由斜面頂端滑至底端所用的時間t，就可以由公式a＝__________求出a，某同學記錄了數據如下表所示：,,,,請先在如右圖所示的坐標紙上建立適當的坐標軸后描點作圖，然后根據所作的圖線求出當地的重力加速度g＝__________.進一步分析可知，光滑斜面上物體下滑的加速度與傾角的關系為____________________