高考物理一轮复习 第3章 实验4 验证牛顿第二定律课件.pdf

第三章牛顿运动定律 实验四验证牛顿第二定律Z的长木板 祛码纸带小车打点计时器实验台实验图示记心中考基知识整合O系统化梳理练习化培优基础梳理一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理规律；体会实验的精髓在 于“控制”.2.学会灵活运用图象处理物理问题的方法.3.探究加速度与力、质量的关系.二、实验原理1.控制变量法探究加速度。与力F及质量放的关系时，应用的基本方法是 控制变量法，即先控制一个参量小车的质量放不变，探究 加速度。与力下的关系；再控制小盘和祛码的质量不变，即力F 不变，探究加速度。与小车质量M的关系.2.实验中需要测量的物理量和测量方法是(1)小车及磋码的总质量M：用天平测出.(2)小车受到的拉力F等于小盘和磋码的总重力mg.(3)小车的加速度。根据打点纸带由逐差法或两段法计算或 由其他方法求得.三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长 木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度 尺、祛码、薄木块.四、实验步骤1.称量：用天平测量小盘质量股和小车质量M2.安装：接图把实验器材案安装好.3.平衡：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木 板，使小车匀速下滑.4.小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先接通电源后放 开小车，取下纸常编号码.5.保持小车质量放不变，改变小盘和盘中祛码的质量加，重复步骤4.6.保持小盘和盘中碳码的质量不变，改变小车质量，重 复步骤4和6.五、注意事项1.平衡摩擦力在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即 不要给小车加任何牵引力，且要让小车拖着纸带匀速运动.2.不重复平衡摩擦力整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和碳码的 总质量还是改变小车和碳码的总质量，都不需要重新平衡摩擦 力.3.实验条件每条纸带都必须在满足小车的质量远大于小盘和碳码的总 质量的条件下打出.只有如此，小盘和磋码的总重力才可视为 小车受到的拉力.4.一先一后一按住改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点 计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达定滑 轮前按住小车.5.作图作图时，两坐标轴的比例要适当，要使尽可能多的点落在 所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线 两侧.方法规律1.数据处理(1)在“探究加速度与力的关系”实验中，以加速度a为纵 坐标、力歹为横坐标建立坐标系，根据各组数据在坐标系中描 点.如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比；(2)在“探究加速度与质量的关系”实验中，“a与M成反1 1比”实际上就是“与言成正比”，以为纵坐标、以方为横坐1标建立坐标系，如果一力图线是一条过原点的直线，就能判断 a与成反比化曲为直法.注意：两个图象斜率的物理意义：-歹图线中斜率表示小 1 1车和车中祛码质量的倒数，即应；而图线中斜率表示小车受 到的合力，即小盘和盘中祛码的重力mg.2.实验中，如果不平衡摩擦力会产生什么样的后果？提示：不平衡摩擦力或摩擦力平衡不够描点连线得到的直 线不过原点，证明不了加速度与作用力成正比.3.做该实验时，若先放小车再接通电源会产生怎样的后 果？提示：会使纸带上打不了几个点，即纸带得不到充分利 用，并且刚接通时点周期不稳会产生误差.4.误差分析系统误差以小车、小盘和祛码整体为研究对象得以 小车为研究对象得F=M小求得,=痂二产g=1mg本实验用小盘和祛码的总重力Mg代替小车的拉力，而实 际小车所受的拉力要小于小盘和秩码的总重力.小盘和碳码的 总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，小盘和祛码的 总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小.因此，满 足小盘和秩码的总质量远小于小车的质量的目的就是为了减小 因实验原理不完善而引起的误差.(2)偶然误差摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不 准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差.考向层级导学 E层阶式突破针对性训练考向一实验的原理、方法与技能典例1(2013天津理综，9(2)某实验小组利用如图所示的 装置探究加速度与力、质量的关系.打点计时器纸带 木块带滑轮的长木板接电源细绳祛码桶(1)下列做法正确的是.(填字母代号)A 调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平 行B.在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将 装有祛码的碳码桶通过定滑轮拴在木块上C.实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D.通过增减木块上的祛码改变质量时，不需要重新调节 木板倾斜度(2)为使碳码桶及桶内磋码的总重力在数值上近似等于木块 运动时受到的拉力，应满足的条件是祛码桶及桶内祛码的总质 量 木块和木块上碳码的总质量.(填“远大于”“远小于”或“近似等于)(3)甲、乙两同学在同一实验室各取一套图示装置放在水平 桌面上，木块上均不放碳码，在没有平衡摩擦力的情况下研究 加速度。与拉力下的关系，分别得到图中甲、乙两条直线.设 甲、乙用的木块质量分别为加甲、加乙，甲、乙用的木块与木板 间的动摩擦因数分别为甲、乙，由图可知，加甲 m乙，甲_乙,(填“大于”“小于”或“等于”)解析(1)为使木块运动过程中受到的拉力恒定，应调 节细绳与长木板平行，A正确.在调节木板倾斜度平衡摩擦力 时应拿掉秩码桶，并且实验过程中改变木块上的碳码质量时，不需要重新平衡摩擦力，B错误，D正确.(2)在此实验中可以认为木块所受细绳的拉力F等于联码 及祛码桶的重力)而实际上对木块和木决上的祛码：F=Ma对祛码及祛码桶：mg-F=ma联立解得b故只有当/WM时才能近似满足/=mg(3)在水平桌面上未平衡摩擦力时、p木块的加速度4=京-4g1a F图线的斜率k=一m在纵轴负方向的截距b=/ig由图象知k甲 九乙)b甲b乙)所以甲v/w乙)ju甲 乙答案(1)AD(2)远小于(3)小于 大于。名师点睛常见aF图象涉及的误差分析“验证牛顿运动定律”实验得到的理想一歹图象应是一条 过原点的直线，但由于实验误差影响，常出现如图所示的三种 情况（说明见下表）.a号.7x7图线特征产生原因图线的上 部弯曲当木块受力F较大时，不满足“磋码桶及 桶内磋码的质量远小于木块和木块上磋码 的总质量”的条件图线与a轴 有截距平衡摩擦力时长木板的倾角过大，F=0（即不挂祛码桶）时木块就具有了加速度图线与歹 轴有截距平衡摩擦力时长木板的倾角过小，或未平 衡摩擦力.只有当下增加到一定值，木块 才获得加速度考向二 实验过程、数据处理及误差分析典例2用如图甲所示装置做“探究物体的加速度跟力的 关系”的实验.实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重 力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带 测出小车运动的加速度.(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫木的左右位置，直到小 车做匀速直线运动，这样做的目的是.(2)图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的 点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点4、B、C、。、E,相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到Z 点之间的距离，如图乙所示.已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值 a=m/s.(结果保留两位有效数字)Ca B C D Ey21.60乙(3)实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力 作用下的加速度.根据测得的多组数据画出“一下关系图线，如 图丙所示.此图线的段明显偏离直线，造成此现象的主要 原因可能是(选填下列选项的序号)A.小车与平面轨道之间存在摩擦B.平面轨道倾斜角度过大C.所挂钩码的总质量过大D.所用小车的质量过大解析(1)使平面轨道的右端垫起，让小车重力沿斜面方 向的分力与它受的摩擦阻力平衡，才能认为在实验中小车受的 合外力就是钩码的拉力，所以这样做的目的是平衡小车运动过 程中所受的摩擦阻力.(2)由Ax=at1和逐差法可知Xde+Xcd Xab Xbc Xce X/C4T24好(2L60-8/79-8:79)X10 2 4X(0.1)2m/W=1.0 m/s2(3)在实验中认为细绳的张力歹就是钩码的重力加修实际上,细绳张力k=Ma,ma-Ff=mao，MF=M+m 1 *s1所以当拉力歹变大时，加必定变大，必定减小.当M+mM/m时，-歹图象为直线，当不满足M/m时，便有-万图象的斜率逐渐变小，选项C正确.1 1 Ra=lmg=lmF(3)C答案(1)平衡小车运动过程中所受的摩擦阻力(2)1.0考向三创新实验设计典例3（2016浦东高三质检）某实验小组利用如图甲所示 的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量 之间的关系.（1）做实验时，将滑块从图所示位置由静止释放，由数字计 时器（图中未画出）可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为 A%、Aq；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离占 用游标 卡尺测得遮光条宽度.则滑块经过光电门1时的速度表达式=_；滑块加速度的表达式“=_（以上表达式均用 已知字母表示）.如图乙所示，若用20分度的游标卡尺测量遮 光条的宽度，其读数为_mm.（2）为了保持滑块所受的合力不变）可改变滑块质量M和气 垫导轨右端高度见图甲）.关于“改变滑块质量M和气垫导轨 右端的高度的正确操作方法有.A.B.C.D.M增大时）增大,M增大时，力减小,M减小时，。增大,M减小时）。减小,以保持二者乘积增大 以保持二者乘积不变 以保持二者乘积不变 以保持二者乘积减小解析(1)由速度的定义式可得滑块经过光电门1时的速 度表达式vx=77；经过光电门2时的速度表达式v2=77；由lax=v1 v,解得滑块加速度的表达式a 五一；游标卡尺主尺上读出8 mm，游标上第3刻度线与主尺对齐,3X0.05mm,游标卡尺读数为8 mm+3*0.05 mm=8.15 mm.(2)滑块沿斜面向下运动所受合外力为Mgsin O=Mgh/L.为了保持滑块所受的合力不变，Af增大时，人减小，以保持二 者乘积不变；或拉减小时，增大，以保持二者乘积不变，选项B、C正确.答案(噎2x8.15(2)BC高考命题常涉及的几种创新角度一、本题创新点分析1.源于教材本例中的实验目的及实验中用到的器 材：一端带滑轮的长木板、滑块，与课本实验是相同的，利用 以一歹图象处理实验数据的方法也是相同的.2.高于教材本例中没有平衡摩擦力，而是用缓慢向 瓶中加水的办法比较准确地测出木块的滑动摩擦力大小和细绳 拉力大小，实验数据处理时，不是作木块加速度“与合力的关 系图线，而是作木块加速度a与细绳拉力F的关系图线.二、本实验还可以从以下方面进行改进创新1.实验目的创新如果要测量木块与木板间的动摩擦因数，实验应如何操 作？提示：长木板水平放置，木板与钩码间的细绳长些，测出 钩码落地后，木块前进过程中做匀减速的加速度，由。=g可 得的大小.2.实验器材的创新(1)用气垫导轨代替长木板，实验应如何操作？(2)如果提供光电门(两个)该实验应如何操作？提示：(1)将气垫导轨调成水平，不用再平衡摩擦力了，其 他操作不变.(2)在长木板上固定两个光电门.量出两光电门的距离D和 遮光条的宽度-，可用2aD=(g)2-(g)2求出木块的加速度，而不再使用打点计时器.针对训练（2015新课标全国II,22）某同学用图甲所示的实验装置测 量物块与斜面之间的动摩擦因数.已知打点计时器所用电源的 频率为50 Hz,物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图乙 所示，图中标出了五个连续点之间的距离.(1)物块下滑时的加速度=m/s2,打。点时物块 的速度卜=m/s;(2)已知重力加速度大小为g,为求出动摩擦因数，还必须 测量的物理量是.(填正确答案标号)A.物块的质量 B.斜面的高度 C.斜面的倾角解析(1)用逐差法求纸带加速度,(X3+X4)一(Xi+X?)7a=-=3.25 m/s2c点速度等于BD段平均速度）v=m/s(2)由牛顿第二定律得/Mgsin 3-从tngcos 3=ma)ju=gsin 9-a geos 3 故C正确.答案(1)3.25 1.79(2)C考场频考频练,（重点化演练.实战性体验频考一对实验操作，实验原理的考查1.关于“验证牛顿第二定律”实验中验证”作用力一定时，加速度与质量成反比”的实验过程，以下做法中正确的是（）A.平衡摩擦力时，应将装沙的小桶用细绳通过定滑轮系在小 车上B.每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力C.实验时，先放开小车，再接通电源D.可以利用天平测出沙桶和沙质量加和小车质量M,直接 用公式“=鬻求出加速度解析平衡摩擦力时，使小车的重力沿斜面向下的分力 与小车运动所受摩擦力平衡，所以不能将小桶系在小车上，A 错误.平衡摩擦力后，小车和板间的动摩擦因数=tan a,与 小车的质量无关，所以改变小车的质量时，不需要重新平衡摩 擦力，B正确.实验时，应先接通电源，待打点稳定后，再放 开小车，C错误.本实验是探究作用力一定时，加速度与质量 成反比，不能直接用公式a=鬻求加速度，D错误.答案B2.某同学用图示的装置来验证加速度和质量成反比.在 自制的双层架子上固定平板玻璃，架子放在水平桌面上.连接 小车的细绳跨过定滑轮与小桶相连.实验步骤如下：在两个小桶中装入适量细沙，并使两桶质量（含沙子）相 同.两车紧靠架子左边的挡板，在乙车上放一个磋码，同时 释放两车，当车运动一段时间后，用手机对整个装置进行拍 照.在照片上，通过装置上的刻度尺，测出甲、乙两车运动的 距离8、x2;在乙车上逐渐增加磋码个数，重复步骤.（1）本实验的原理是通过验证小车发生的位移与小车的质 量成,来验证合外力一定时加速度与质量成反比.（2）实验前，该同学将装置的左端适当垫高了一些，目的是.实验过程中（填“甲”或“乙”）车受到的 拉力更接近沙桶（含沙子）的重力.（3）若该同学以为横坐标，以乙车（含硅码）的质量盟为纵X2坐标，作出的图线是直线，该直线的斜率为填“甲 车”“乙车（含祛码）”或“沙桶（含沙子）”的质量.1解析（1）对初速度为0的匀加速直线运动，有X=即a,故若合外力一定时,加速度a与质量m成反比,则 位移X与质量/W也成反比，本实验正是利用这一原理设计的.（2）为消除摩擦力造成的影响，应将装置左端适当垫高一 些，以小车M为研究对象，有Ft=Md以沙桶（含沙子刖为、M研究对象,有mg-Ft=ma,联立解得=9mg,即当M+mMm时，小车受到的拉力近似等于沙桶（含沙子）的重力，放 有祛码的乙车质量比沙桶（含沙子）的质量更大，故乙车受到的 拉力更接近沙桶（含沙子）的重力.2I 1，,口 Ft,jn 乙 xa-(3)由 x=彳*及b=可付 故有=一,即/乙=/甲31,所以若以乙车的质量为纵坐标、”为横坐标）该 X2 X2直线的斜率为m甲,即甲车的质量.答案反比（2）平衡摩擦力乙（3）甲车频考二实验数据处理与误差分析3.（2016南通市高三调研）图甲为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图.砂和砂桶的总质量为阳，小车和碳码的总 质量为M.实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小.I砂、砂桶小车、祛码打点计时器接交流电源甲(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外 力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行.接 下来还需要进行的一项操作是()A.将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器 的纸带，给打点计时器通电，调节加的大小，使小车在砂和砂 桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动.B.将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿 过打点计时器的纸带，撤去砂和砂桶，给打点计时器通电，轻 推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动.C.将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和 砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动.(2)实验中要进行质量盟和M的选取，以下最合理的一组是()A.M=200 g5 m=10 g 15 g、20 g 25 g 30 g、40 gB.M=200g5/n=20 g 40 g 60 g 80 g 100 g 120 gC.M=400g5 m=10g 15 g、20 g 25 g 30 g、40 gD.M=400g5/w=20 g 40 g 60 g 80 g 100 g 120 g(3)图乙是实验中得到的一条纸带，/、B、C、D.E、尸、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有4个点未 画出.量出相邻计数点之间的距离分别为：Sn5=4.22 cm、Sbc=4.65 cm cD=5.08cm、sDE=5.49 cm sEF=5.91 cm sFG=6.34 cm.已知打点计时器的工作频率为50 Hz,则小车的加速度 a=_m/s2.(结果保留2位有效数字)乙解析(1)平衡小车的摩擦力时,应撤去砂和砂桶,安装 纸带，给打点计时器通电，根据纸带上打出点的分布来判断小 车是否匀速，B正确.(2)为使细线的拉力近似等于砂和砂桶的总重力，应满足 C组最合理.(3DE+EF+$b G)+BC+CI)再”(3)由=3红一fg;狼皿一屁CD)_ 丁=01s,可由军 得：a0.42 m/s2.答案(1)B(2)C(3)0.42频考三实验原理、方法的迁移4.(2015广东理综，34(1)某同学使用打点计时器测量当 地的重力加速度.(1)请完成以下主要实验步骤：按图甲安装实验器材并连接 电源；竖直提起系有重物的纸带，使重物(填“靠 近”或“远离”)计时器下端；,，使重物 自由下落；关闭电源，取出纸带；换新纸带重复实验.(2)图乙和丙是实验获得的两条纸带，应选取(填“甲”或“乙”)来计算重力加速度.在实验操作和数据处理 都正确的情况下，得到的结果仍小于当地重力加速度，主要原 因是空气阻力和.甲丙解析(1)为充分利用纸带，开始实验时重物应靠近打点 计时器.应先打开打点计时器开关，再释放重物.(2)丙纸带先变疏后变密，表示重物先加速后减速，不是自 由落体运动，乙纸带间距均匀增加，故应选乙.打点计时器和 纸带之间的摩擦也会使测得的g偏小.答案(1)靠近打开打点计时器开关释放重物(2)乙 打点计时器与纸带之间的摩擦力5.如图所示是利用光电门探究“滑块加速度与外力关 系”的实验装置.滑块上的挡光板的宽度为，滑块出发点到 光电门位置的距离为使滑块从起点由静止开始运动.光电计 时器记录下滑块上挡光板通过光电门的时间为(1)滑块小车通过光电门时的瞬时速度0=.(2)滑块小车的加速度“=.(3)换用不同钩码拉，测出多组不同拉力F对应的4,用图 象法处理获得的数据，若以拉力F为纵坐标，则应以 为横坐标，才能得出加速度与合外力的正比关系.