2019屆高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)方法之控制變量法學(xué)案 新人教版.doc

控制變量法“探究加速度和力的關(guān)系和加速度與質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)或者說“驗(yàn)證牛頓定律”實(shí)驗(yàn)是典型的“控制變量法”的應(yīng)用。一、牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)裝置圖1為俯視圖，圖2為側(cè)視圖。2實(shí)驗(yàn)過程(1)加速度跟力的關(guān)系（控制變量質(zhì)量不變）使用兩個(gè)相同的小車，滿足m1=m2；在連小車前的繩端分別掛一個(gè)鉤碼和兩個(gè)鉤碼，使F1=2F2將二小車?yán)镣黄瘘c(diǎn)處，記下位置放手后經(jīng)一段時(shí)間使二小車同時(shí)停止，滿足時(shí)間t相同改變F重復(fù)實(shí)驗(yàn)，讀出二小車的位移，填入表1：表1根據(jù)，在相等的情況下，與成正比。從表1可得：比較可得，在誤差允許的范圍內(nèi)，aF(2)加速度跟質(zhì)量的關(guān)系（控制變量力不變）將小車1上加0.2kg砝碼，使m1=2m2；二小車前面繩端都掛一個(gè)鉤碼，使F1=F2將二小車?yán)镣黄瘘c(diǎn)處放開經(jīng)一段時(shí)間使其同時(shí)停止，讀出各小車位移記入表2：表23定律導(dǎo)出速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，即牛頓第二定律的基本關(guān)(2)上式可寫為等式F=kma，式中k為比例常數(shù)如果公式中的物理量選擇合適的單位，就可以使k=1，則公式更為簡(jiǎn)單在國(guó)際單位制中，力的單位是牛頓牛頓這個(gè)單位就是根據(jù)牛頓第二定律來定義的：使質(zhì)量是1kg的物體產(chǎn)生1m/s2的加速度的力為1N，即1N=1kgm/s2可見，如果都用國(guó)際單位制中的單位，就可以使k=1，那么公式則簡(jiǎn)化為F=ma，這就是牛頓第二定律的數(shù)學(xué)公式(3)當(dāng)物體受到幾個(gè)力的作用時(shí)，牛頓第二定律也是正確的，不過這時(shí)F代表的是物體所受外力的合力牛頓第二定律更一般的表述是：物體的加速度跟所受的外力的合力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同數(shù)學(xué)公式是：F合=ma3系統(tǒng)誤差分析： 用公式法分析誤差在實(shí)驗(yàn)中，小車（質(zhì)量為）受的拉力實(shí)際上不等于鉤碼的重力（），設(shè)為，則有，解得從結(jié)果可以看出，小車受的拉力實(shí)際上小于鉤碼的重力（），而鉤碼的重力（）是產(chǎn)生小車和鉤碼二者的加速度的力，而不是產(chǎn)生小車的加速度的力。根據(jù)公式，得相對(duì)誤差為，也就是說，小車質(zhì)量比鉤碼質(zhì)量大得越多，相對(duì)誤差越小，即實(shí)驗(yàn)條件是：只有當(dāng)>>時(shí)，才能認(rèn)為小車受力等于鉤碼的重力。題1.“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示.（1）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乙所示。計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02s.從比較清晰的點(diǎn)起，每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，量出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離。該小車的加速度a= m/s2.（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）（2）平衡摩擦力后，將5個(gè)相同的砝碼都放在小車上.掛上砝碼盤，然后每次從小車上取一個(gè)砝碼添加到砝碼盤中，測(cè)量小車的加速度。小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：砝碼盤中砝碼總重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980加速度a（ms-2）0.691.181.662.182.70請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出a-F的關(guān)系圖像.（3）根據(jù)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的-F圖線不通過原點(diǎn)，請(qǐng)說明主要原因?！敬鸢浮?(1) 0.16 (0.15也算對(duì)) （2）（見下圖）（3）未計(jì)入砝碼盤的重力題2.如題（a）圖，質(zhì)量為的滑塊放在氣墊導(dǎo)軌上，為位移傳感器，它能將滑塊到傳感器的距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)上，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后在屏幕上顯示滑塊的位移時(shí)間（s-t）圖象和速率時(shí)間（v-t）圖象。整個(gè)裝置置于高度可調(diào)節(jié)的斜面上，斜面的長(zhǎng)度為了l、高度為h。（取重力加速度g=9.8m/s2，結(jié)果可保留一位有效數(shù)字）（）現(xiàn)給滑塊一沿氣墊導(dǎo)軌向上的初速度，的v-t圖線如題(b)圖所示。從圖線可得滑塊下滑時(shí)的加速度a= m/s2 ,摩擦力對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)的影響 。（填“明顯，不可忽略”或“不明顯，可忽略”）學(xué) / （）此裝置還可用來驗(yàn)證牛頓第二定律。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變 ，可驗(yàn)證質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力成正比的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變 ，可驗(yàn)證力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系。（）將氣墊導(dǎo)軌換成滑板，滑塊換成滑塊，給滑塊一沿滑板向上的初速度，的s-t圖線如題（c）圖。圖線不對(duì)稱是由于造成的，通過圖線可求得滑板的傾角（用反三角函數(shù)表示），滑塊與滑板間的動(dòng)摩擦因數(shù)【答案與解析】（1）下滑時(shí)，加速度為；上滑時(shí)，加速度為6 摩擦力對(duì)滑塊A運(yùn)動(dòng)的影響不明顯，可忽略。（2）改變斜面高度h, 則改變斜面的傾角，則改變產(chǎn)生加速度的力（），可驗(yàn)證質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力成正比的關(guān)系；改變滑塊A的質(zhì)量M及斜面的高度h，且使Mh不變，因?yàn)?，使Mh不變，則F不變，可驗(yàn)證力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系。解得 (0.2 0.4都對(duì))。題3. 某物理課外小組利用圖（a）中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。途中，置于試驗(yàn)臺(tái)上的長(zhǎng)木板水平放置，其右端固定一輕滑輪：輕繩跨過滑輪，一段與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N=5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010kg。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）將5個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長(zhǎng)木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物快，使小車9（和鉤碼）可以在木板上勻速下滑。（2）將n（依次取n=1,2,3,4,5）個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n各鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對(duì)于其起始位置的位移s，繪制s-t圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a。（3）對(duì)應(yīng)于不同的n的a值見下表。n=2時(shí)的s-t圖像如圖(b)所示：由圖（b）求出此時(shí)小車的加速度（保留2位有效數(shù)字），將結(jié)果填入下表。n123450.200.580.781.00（4）利用表中的數(shù)據(jù)在圖（c）中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出a-n圖像。從圖像可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定是=時(shí)，物體的加速度與其所受的合外力成正比。（5）利用an圖像求得小車（空載）的質(zhì)量為 kg（保留2位有效數(shù)字，重力加速度取g=9.8 ms2）。（6）若以“保持木板水平”來代替步驟（1），下列說法正確的是 （填入正確選項(xiàng)錢的標(biāo)號(hào)）Aan圖線不再是直線Ban圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn)Can圖線仍是直線，但該直線的斜率變大【答案】（3）0.39（4）如圖所示（5）0.45（6）BC【解析】（3）因?yàn)樾≤囎龀跛俣葹?的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故將（2,0.78）代入可得根據(jù)描點(diǎn)法可得如圖所示圖線（4）根據(jù)描點(diǎn)法可得如圖所示圖線（5）根據(jù)牛頓第二定律可得，代入m=0.010kg，n=1、2、3、4、5，以及相應(yīng)的加速度求可得（6）若不平衡摩擦力，則滿足F-f=ma的形式，所以直線不過原點(diǎn)，但仍是直線，A錯(cuò)B對(duì)；隨著n的增大，小車的總質(zhì)量在增大，斜率變大，C正確；