2014高考物理第一輪復(fù)習 第三章 實驗四 驗證牛頓運動定律課件 新人教版必修1

1、實驗四　驗證牛頓運動定律,【實驗過程】一、實驗步驟1.稱量質(zhì)量——用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M0。2.安裝器材——按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好,只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(即不給小車牽引力)。,3.平衡摩擦力——在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊,反復(fù)移動薄木塊的位置,直至小車在斜面上運動時可以保持勻速運動狀態(tài)。4.讓小車靠近打點計時器,掛上小盤和砝碼,先接通電源,再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑

2、,打出一條紙帶。計算小盤和砝碼的重力,即為小車所受的合外力,由紙帶計算出小車的加速度,并把力和對應(yīng)的加速度填入表1中。5.改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù),重復(fù)步驟4,并多做幾次。,6.保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變,在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量,讓小車在木板上滑動打出紙帶。計算砝碼和小車的總質(zhì)量M,并由紙帶計算出小車對應(yīng)的加速度,并將所對應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表2中。7.改變小車上砝碼的個數(shù),重復(fù)步驟6,并多做幾次。,表1,表2,二、數(shù)據(jù)處理1.

3、計算加速度——先在紙帶上標明計數(shù)點,測量各計數(shù)點間的距離,根據(jù)逐差法計算各條紙帶對應(yīng)的加速度。2.作圖像找關(guān)系——根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車所受牽引力F,建立直角坐標系,描點畫a-F圖像,如果圖像是一條過原點的傾斜直線,便證明加速度與作用力成正比。再根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車和砝碼總質(zhì)量M,建立直角坐標系,描點畫a- 圖像,如果圖像是一條過原點的傾斜直線,就證明了加速度與質(zhì)量成反比。,【誤差分析】1

4、.因?qū)嶒炘聿煌晟埔鹫`差。以小車、小盤和砝碼整體為研究對象得mg=(M+m)a;以小車為研究對象得F=Ma;求得本實驗用小盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力,而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力。小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,由此引起的誤差就越小。因此,滿足小盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量的目的就是減小因?qū)嶒炘聿煌晟贫鸬恼`差。,2.摩擦力平衡不準確造成誤差。在平衡摩擦力時,除了不掛小盤外,其他的均與正式實

5、驗一樣(比如要掛好紙帶、接通打點計時器),勻速運動的標志是打點計時器打出的紙帶上各相鄰兩點間的距離相等。3.質(zhì)量的測量誤差、紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差、細繩或紙帶不與木板平行等都會引起誤差。,【注意事項】1.平衡摩擦力在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,且要讓小車拖著紙帶勻速運動。2.不重復(fù)平衡摩擦力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(zhì)量還是改變小車和砝碼的總

6、質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力。,3.實驗條件每條紙帶都必須在滿足小車的質(zhì)量遠大于小盤和砝碼的總質(zhì)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。4.一先一后一按住改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器,并應(yīng)先接通電源,再放開小車,且應(yīng)在小車到達定滑輪前按住小車。,5.作圖作圖時,兩坐標軸的比例要適當,要使盡可能多的點落在所作直線上,不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱地分布在所作直線兩側(cè)。,【實驗改進

7、】本實驗中可以用氣墊導(dǎo)軌來代替長木板,這樣就省去了平衡摩擦力的麻煩,小車的加速度也可以利用傳感器來測量,借助于計算機來處理。,熱點 1 實驗原理與注意事項【典例1】(2012·安徽高考)圖甲為“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。,(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

8、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(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

9、勻速運動,(2)實驗中要進行質(zhì)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、40gB.M=200g,m=20g、40g、60g、80g、100g、120gC.M=400g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40gD.M=400g,m=20g、40g、60g、80g、100g、120g,(3)圖乙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

10、,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:sAB=4.22cm、sBC=4.65cm、sCD=5.08cm、sDE=5.49cm、sEF=5.91cm、sFG=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(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。,【標準解答】(1)要使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力,應(yīng)將長木板遠離定滑輪的一端墊起,使小車所受重力沿木板向下的分力與小車及紙帶所

11、受摩擦力平衡,即選項B正確。(2)要使砂和砂桶的總重力的大小作為細線對小車拉力的大小,必須使m?M,只有選項C符合這個要求。,(3)小車的加速度為其中t=0.1s,代入數(shù)據(jù)得:a=0.42m/s2。答案:(1)B　(2)C　(3)0.42,熱點 2 實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析 【典例2】(2013·寧波模擬)某學習小組用如圖所示裝置探究“加速度和力的關(guān)系”。,該小組已經(jīng)測量了兩個光電門間的距離為L,遮光條的

12、寬度為d,遮光條通過兩個光電門的時間分別為t1、t2,則:(1)小車的實際加速度可以表示為　　　　。(用題中所給物理量表示)(2)改變所掛鉤碼的數(shù)量,多次重復(fù)測量。在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可在坐標紙上畫出a-F關(guān)系的點跡(如圖所示)。經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)存在一些問題,產(chǎn)生的主要原因可能是(　　),A.軌道與水平方向夾角太大B.軌道保持了水平狀態(tài),沒有平衡摩擦力C.所掛鉤碼的總質(zhì)量太大,造成上部點跡有向下彎曲趨勢D.所用小車的質(zhì)

13、量太大,造成上部點跡有向下彎曲趨勢,【標準解答】(1)遮光條通過兩個光電門時的速度分別為 根據(jù)勻變速直線運動規(guī)律v22-v12=2aL，解得小車的實際加速度可以表示為(2)選B、C。圖線直線部分沒有過原點，說明F達到一定值時物體才開始運動。產(chǎn)生的主要原因可能是軌道保持了水平狀態(tài)，沒有平衡摩擦力，選項A錯誤，B正確。圖線上部彎曲產(chǎn)生的主要原因是所掛鉤碼的總質(zhì)量太大，造成上部點跡有向下彎曲趨勢，選項C

14、正確，D錯誤。答案：(1) (2)B、C,【雙基題組】1.在利用打點計時器和小車來做“驗證牛頓運動定律”的實驗時,下列說法中正確的是(　　)A.平衡摩擦力時,應(yīng)將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過定滑輪拴在小車上B.連接砝碼盤和小車的細繩應(yīng)跟長木板保持平行C.平衡摩擦力后,改變小車和砝碼的總質(zhì)量時,要重新平衡摩擦力D.小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器,且應(yīng)先接通電源再釋放小車,【解析】選B、D。平

15、衡摩擦力時,不能將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼(或小桶)通過細繩拴在小車上,選項A錯誤;連接砝碼盤和小車的細繩應(yīng)跟長木板保持平行,選項B正確;平衡摩擦力后,無論是改變砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量時都不需要重新平衡摩擦力,選項C錯誤;實驗時,小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器,且應(yīng)先接通電源,待打點穩(wěn)定后,再釋放小車,選項D正確。,2.(2013·臨汾模擬)在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中備有下列器材:A.電磁打點計時

16、器;B.天平(帶砝碼);C.秒表;D.低壓直流電源;E.紙帶和復(fù)寫紙;F.導(dǎo)線;G.細繩;H.小車;I.砂和小桶;J.一端附有滑輪的長木板;K.砝碼。(1)其中多余的器材是　　　　(填代號),缺少的器材是　　　　　和　　　　　。(2)在探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時,分別以　　　　為縱坐標、　　　　為橫坐標作圖像,這樣就能直觀地看出其關(guān)系。,【解析】(1)實驗的重點是在質(zhì)量一定時,根據(jù)不同力作用下打出的紙帶,求出加速度;在力

17、一定時,根據(jù)在不同質(zhì)量條件下打出的紙帶,求出加速度。故只要明確打點計時器工作原理和實驗步驟,則可判斷多余的器材是C、D;缺少的器材是低壓交流電源和刻度尺。(2)探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時,以a為縱坐標,以 為橫坐標,作出的圖像為經(jīng)過原點的傾斜直線,這樣很容易看出它們的關(guān)系。答案:(1)C、D　低壓交流電源　刻度尺(2)a,【高考題組】3.(2011·浙江高考)在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗時,已

18、提供了小車、一端附有定滑輪的長木板、紙帶、帶小盤的細線、刻度尺、天平、導(dǎo)線。為了完成實驗,還須從圖中選取實驗器材,其名稱是①　　　　　　　;并分別寫出所選器材的作用② 　 。,【解析】為測量小車的加速度,需記錄小車運動的位置和時間,這可利用打點計時器和紙帶完成。所以,實驗中應(yīng)有打點計時器。實驗中需要改變小車的質(zhì)量,這可通過在小車上添加鉤碼來實現(xiàn),所以實驗中應(yīng)有鉤碼。實驗

19、中還需要改變小車所受拉力的大小,這可通過改變盤中的砝碼的數(shù)目來改變,所以實驗中應(yīng)有砝碼。,學生電源為電磁打點計時器提供交流電源;電磁打點計時器(電火花計時器)記錄小車運動的位置和時間;鉤碼用以改變小車的質(zhì)量;砝碼用以改變小車受到的拉力的大小,還可用于測量小車的質(zhì)量。答案:①學生電源、電磁打點計時器、鉤碼、砝碼(或電火花計時器、鉤碼、砝碼)?、谝娊馕?4.(2012·大綱版全國卷)圖甲為驗證牛頓第二定律的實驗裝置示意圖。圖中打

20、點計時器的電源為50Hz的交流電源,打點的時間間隔用Δt表示。在小車質(zhì)量未知的情況下,某同學設(shè)計了一種方法用來探究“在外力一定的條件下,物體的加速度與其質(zhì)量間的關(guān)系”。,(1)完成下列實驗步驟中的填空。①平衡小車所受的阻力:小吊盤中不放物塊,調(diào)整木板右端的高度,用手輕撥小車,直到打點計時器打出一系列　　　的點。②按住小車,在小吊盤中放入適當質(zhì)量的物塊,在小車中放入砝碼。③打開打點計時器電源,釋放小車,獲得帶有點列的紙帶,在紙帶上標

21、出小車中砝碼的質(zhì)量m。④按住小車,改變小車中砝碼的質(zhì)量,重復(fù)步驟③。,⑤在每條紙帶上清晰的部分,每5個間隔標注一個計數(shù)點。測量相鄰計數(shù)點的間距s1、s2……求出與不同m相對應(yīng)的加速度a。⑥以砝碼的質(zhì)量m為橫坐標, 為縱坐標,在坐標紙上作出 -m關(guān)系圖線。若加速度與小車和砝碼的總質(zhì)量成反比,則 與m應(yīng)成　　　　(選填“線性”或“非線性”)關(guān)系。,(2)完成下列填空。①本實驗中,為了保證在改變小車中砝碼的質(zhì)量時,小車所

22、受的拉力近似不變,小吊盤和盤中物塊的質(zhì)量之和應(yīng)滿足的條件是　 。②設(shè)紙帶上三個相鄰計數(shù)點的間距為s1、s2和s3。a可用s1、s3和Δt表示為a=　　　　。圖乙為用米尺測量某一紙帶上的s1、s3的情況,由圖可讀出s1=　　　　mm,s3=　　　　mm,由此求得加速度的大小a=　　　　m/s2。,③圖丙為所得實驗圖線的示意圖。設(shè)圖中直線的斜率為k,在縱軸上截距為b,若牛頓定律成立,則小車受到的拉力為　　

23、　　　　,小車的質(zhì)量為　　　　。,【解析】(1)小車和吊盤受到的合外力為零,一起做勻速直線運動,所以紙帶點距相等。平衡阻力后,設(shè)小車受到的拉力為F,則有F=(m+m車)a,即 是關(guān)于m的一次函數(shù),它們是線性關(guān)系。(2)①實際上,小車的拉力F會隨m的變化而變化,不是恒定的。因為:對小車由牛頓第二定律有:F=(m+m車)a,對吊盤和物塊(設(shè)其質(zhì)量為m0):m0g-F=m0a,聯(lián)立以上兩式得:,因此,

24、當改變小車上的砝碼的質(zhì)量m時,F會相應(yīng)改變。只有當?shù)醣P和物塊質(zhì)量m0?m+m車時,拉力F≈m0g才是不變的,在這種情況下,才可驗證“拉力一定時,加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系”。②由逐差法s3-s1=2a(5Δt)2得加速度a= ,由圖可讀出s1= 36.8mm-12.5mm=24.3mm,s3=120.1mm-73.0mm=47.1mm,一定要估讀到毫米的下一位數(shù)字。代入數(shù)據(jù),得加速度的大小a=1.14m/s2。注意單

25、位的變換。,答案:(1)①間距相等?、蘧€性　(2)①小吊盤和盤中物塊的質(zhì)量之和遠小于小車和砝碼的質(zhì)量?、凇?4.3　47.1　1.14?、?5.(2010·江蘇高考)為了探究受到空氣阻力時,物體運動速度隨時間的變化規(guī)律,某同學采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實驗裝置(如圖所示)。實驗時,平衡小車與木板之間的摩擦力后,在小車上安裝一薄板,以增大空氣對小車運動的阻力。,(1)往砝碼盤中加入一小砝碼,在釋放小車　　　(

26、選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源,在紙帶上打出一系列的點。(2)從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量,得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表:,請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出小車的v-t圖像。,(3)通過對實驗結(jié)果的分析,該同學認為:隨著運動速度的增加,小車所受的空氣阻力將變大,你是否同意他的觀點?請根據(jù)v-t圖像簡要闡述理由。,【解析】(1)在進行本實驗時,要求釋放小車之前接通打點計時器的電源。(2)根據(jù)所給數(shù)據(jù)在所給圖像中準確描點,