高考物理一輪總復(fù)習(xí) 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?zāi)康?控制變量 力 質(zhì)量 學(xué)會用 法來研究物理規(guī)律 探究 與 的關(guān)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(guān)系時 應(yīng)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(guān)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(guān)系 加速度 實驗器材打點計時器 紙帶及復(fù)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(fù)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(fù)步驟 4 每次記錄必須在相應(yīng)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(yīng)的圖線以驗證a與F的關(guān)系 7 保持 不變 改變小車的質(zhì)量 在小車上增減砝碼 重復(fù)上述步驟 5 6 驗證a與M的關(guān)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(yīng)盡量靠近 并應(yīng)先接通電源 再放開小車 且應(yīng)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(yīng)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(dāng) 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(yīng)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(dǎo)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(chǔ)檢測 2015年廣東深圳模擬 某同學(xué)做 探究加速度與力的關(guān)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(xué)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(yīng)加速度的大小a 已知重力加速度為g 該同學(xué)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(xué)設(shè)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(guān)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(xué)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(dāng)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(guān)系 AC BD 思維點撥 解本題的關(guān)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(xué)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(yīng)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(dǎo)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(guān)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(dāng)?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(dāng)?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(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)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(shè)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(guān)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(yīng)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(guān)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(xué)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(guān)系 你應(yīng)該建議他改畫a和 的關(guān)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(yīng)保持平行 2 為了驗證小車的加速度與其質(zhì)量的定量關(guān)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(yīng)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(dāng)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(guān)系 容易觀察的 所以圖象坐標應(yīng)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(guān)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(yīng)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(dāng)物體通過光電門時光被擋住 計時器開始計時 當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(xué)利用光電門傳感器探究小車加速度與力之間關(guān)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(shè)小車的質(zhì)量為m1 重物的質(zhì)量為m2 則在m1與m2滿足關(guān)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(yīng)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(guān)系 如圖S4 18所示 處理數(shù)據(jù)時應(yīng)作出 填 v m2 或 v2 m2 圖象 某同學(xué)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(yīng)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(dāng)質(zhì)量一定時 研究小車的加速度和小車所受合外力的關(guān)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)學(xué)生提高閱讀和理解能力 學(xué)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(xué)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(guān)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(fù) 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(guān)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