2016届高三物理一轮复习实验验证牛顿运动定律

1．实验目的(1)学会用控制变量法研究物理规律．(2)验证牛顿第二定律．(3)掌握利用图象处理数据的方法．2．实验原理探究加速度a与力F及质量M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M不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，讨论加速度a与M的关系．第4单元实验：验证牛顿运动定律[实验基础夯实]3．实验器材打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板，小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺．[核心要点突破]1．实验步骤(1)用天平测出小车和小盘的质量M和M′，把数值记录下来．(2)按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细线系在小车上(即不给小车加牵引力)．(3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动木板的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态，这时小车拖着纸带运动时受到的摩擦力恰好与小车所受重力在斜面方向上的分力平衡．(4)把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点．打点完成后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码．(5)保持小车及车内砝码的质量不变，在小盘内放入质量为m′的砝码，重复步骤4.在小盘内分别放入质量为m″，m，…的砝码，再重复步骤4.m′，m″，m…的数值都要记录在纸带上(或表格内)．(6)在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值．(7)用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点．若这些点在一条直线上，便证明了加速度与作用力成正比．(8)保持砝码和小盘的质量不变，在小车上依次加砝码(也需作好记录)，重复上述步骤，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车砝码总质量的倒数，在坐标平面上根据实验结果画出相应的点，如果这些点是在一条直线上，就证明加速度与质量成反比．2．数据处理(1)把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：由以上数据画出它的aF关系图象如图所示．通过aF关系图象我们可以得出，小车的加速度a与力F成正比．(2)把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中：由以上数据画出它的aM图象及a1M图象，如图甲、乙所示．3．误差分析(1)测量误差质量的测量误差，纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差．通过aM和a1M关系图象，我们可以得出小车的加速度a与质量M成反比，与质量的倒数1M成正比．(2)系统误差本实验中用小盘和砝码的重力代替小车受到的拉力(实际上小车和砝码受到的拉力要小于小盘和砝码的重力)，存在系统误差．小盘和砝码的总质量越接近小车和砝码的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车和砝码的质量，误差就越小．(3)平衡摩擦力不准造成误差在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等．4．注意事项(1)在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．(2)整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码质量，还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力．(3)必须满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量．只有如此，小盘和砝码重力才可视为小车受到的拉力．(4)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，且应在小车到达滑轮前按住小车．(5)作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．(6)作图时两轴标度比例要选择适当．各量须采用国际单位．这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些．(7)为提高测量精度，可以采取下列措施：①应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点．②可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起，每隔四个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1s.【典例1】(2012年高考安徽理综)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m，小车和砝码的总质量为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．实验原理与操作(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m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m和M的选取，以下最合理的一组是()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)图乙是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出．量出相邻的计数点之间的距离分别为：sAB＝4.22cm、sBC＝4.65cm、sCD＝5.08cm、sDE＝5.49cm、sEF＝5.91cm、sFG＝6.34cm.已知打点计时器的工作频率为50Hz，则小车的加速度a＝________m/s2(结果保留2位有效数字)．[答案](1)B(2)C(3)0.42[自主解答](1)要使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，应将长木板远离定滑轮的一端垫起，使小车所受重力沿木板向下的分力与小车及纸带所受摩擦力平衡，即选项B正确．(2)要使砂和砂桶的总重力的大小作为细线对小车拉力的大小，必须使m≪M，只有选项C符合这个要求．(3)小车的加速度为a＝sDE＋sEF＋sFG－sAB＋sBC＋sCD9t2，其中t＝0.1s，代入数据得：a＝0.42m/s2.【典例2】(2014年亳州模拟)在用图(a)所示装置做“验证牛顿第二定律”的实验中：(1)甲同学在外力F一定的条件下，探究a与M的关系时，所得到的实验结果如下表：外力F＝0.1N实验数据处理与误差分析①请你完善表中数据，并在图(b)中给出的坐标纸上画出a1/M的图象；(a)②由图象可得到的结论是________________．(2)乙同学在探究加速度与外力关系的实验中得到的aF图象如图(c)，则该图象中图线不过原点的原因是：________________，小车的质量为________kg(保留两位有效数字)．[自主解答](1)描点法作出a­1/M的图象是过原点的倾斜直线，故说明物体的加速度与质量成反比；(2)由图象(c)可看出，在拉力为0时，小车就有加速度，说明重力的分力比摩擦力大，根据图象的斜率表示质量的倒数可得小车质量M＝Fa＝25×10－21.0－0.1kg≈0.28kg.[答案](1)①②在外力一定的情况下，物体的加速度与质量成反比(2)木板倾角过大(或平衡摩擦力过度)0．28(0.26～0.29之间均可)【典例3】(2014年安庆模拟)某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系．弹簧秤固定在一合适的木块上，桌面的右边缘固定一个光滑的定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接．在桌面上画出两条平行线P、Q，并测出间距d.开始时将木块置于P处，现缓慢向瓶中加水，直到木块刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小．再将木块放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F，然后释放木块，并用秒表记下木块从P运动到Q处的时间t.实验创新设计(1)木块的加速度可以用d和t表示为a＝________.(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧秤示数F的关系．图中能表示该同学实验结果的是________．(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是________．A．可以改变滑动摩擦力的大小B．可以更方便地获取更多组实验数据C．可以更精确地测出摩擦力的大小D．可以获得更大的加速度以提高实验精度[自主解答](1)由d＝12at2可得：a＝2dt2.(2)由牛顿第二定律可知，F－F0＝ma，故a＝1mF－F0m，C选项正确．(3)挂钩码的方法不能连续改变细绳拉力大小，因此不能准确测出摩擦力的大小，也不利于获得多组测量数据，故B、C正确．[答案](1)2dt2(2)C(3)BC本小节结束请按ESC键返回