2017届高三物理一轮复习 第3章 牛顿运动定律 实验4 验证牛顿运动定律课件

实验四验证牛顿运动定律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，探究加速度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，探究加速度a与M的关系．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.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，反复移动木块的位置，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：4321小车受力F/N加速度a/(m·s－2)实验次数小车质量的倒数1M/kg－1由以上数据画出它的a－F关系图象如图所示．通过a－F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：4321小车受力M/kg加速度a/(m·s－2)实验次数小车质量的倒数1M/kg－1由以上数据画出它的a－M图象及a－1M图象，如图甲、乙所示．通过a－M和a－1M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．3．误差分析(1)系统误差①产生原因：实验原理不完善引起的误差．本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车受到的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小．②减小方法：满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量．(2)偶然误差①产生原因：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．②减小方法a．平衡摩擦力时，根据打点计时器打下的纸带上的点间距通过刻度尺来精确操作，准确判断是否恰好平衡摩擦力．b．测量的物理量可以利用多次测量取平均值的方法来减小误差．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，小盘和砝码的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的两侧．(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.热点热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计1．某同学采用如图甲所示的装置探究物体的加速度与所受合力的关系．用沙桶和沙的重力充当小车所受合力F；通过分析打点计时器打出的纸带，测量加速度a.分别以合力F和加速度a作为横轴和纵轴，建立坐标系．根据实验中得到的数据描出如图乙所示的点迹，结果跟教材中的结论不完全一致．该同学列举产生这种结果的可能原因如下：①在平衡摩擦力时将木板右端垫得过高；②没有平衡摩擦力或者在平衡摩擦力时将木板右端垫得过低；③沙桶和沙的质量过大，不满足沙桶和沙的质量远小于小车质量的实验条件；④测量小车的质量或者加速度时的偶然误差过大．通过进一步分析，你认为比较合理的原因可能是()A．①和④B．②和③C．①和③D．②和④C解析试题由题图乙可知当F＝0时，a≠0，则Mgsinθ＞Ff，说明θ角偏大，右端垫得过高；图线的末端不是直线说明沙桶和沙的总质量m0和小车质量M不满足m0≪M的条件，所以只有C选项正确．热点2．如图为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图．沙和沙桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M.实验中用沙和沙桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小．(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合力，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，使小车在沙和沙桶的牵引下运动，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，撤去沙和沙桶，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，撤去纸带以及沙和沙桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动B解析试题(1)小车在运动过程中受到重力、支持力、纸带的拉力、木板对小车的摩擦力和细线拉力的作用．为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合力，应把木板的一端垫起适当的高度，以使重力、支持力、纸带的拉力和摩擦力的合力为零，即小车做匀速运动，因此在进行这一操作时，不应挂沙桶，小车应连接纸带，A、C项错误，B项正确．热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点(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、120gC解析试题（2）由于绳子的拉力不易测量，本实验中用沙和沙桶的总重力来代替绳的拉力，而沙桶与小车有共同大小的加速度，设加速度大小为a，对沙桶有mg－FT＝ma，对小车有FT＝Ma，联立得FT＝MM＋mmg.只有当小车的质量远大于沙和沙桶的总质量时，绳的拉力才近似等于沙和沙桶的总重力，C项正确．热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点(3)如图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：xAB＝4.22cm、xBC＝4.65cm、xCD＝5.08cm、xDE＝5.49cm、xEF＝5.91cm、xFG＝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.(结果保留两位有效数字)．0.42解析试题(3)相邻两计数点间的时间T＝0.1s，由Δx＝aT2可得a＝xFG＋xEF＋xDE－xCD＋xBC＋xAB3T2，代入数据解得a＝0.42m/s2.热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点1．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，所得到的实验结果见下表：外力F＝0.1N①请你完善表中数据，并在图(b)中给出的坐标纸上画出a-1M的图象；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a-F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)．解析试题4.175.567.1410.00质量的倒数/kg－10.400.480.530.671.00加速度a/(m·s－2)240200180140100质量M/g54321次数n1M热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点解析(1)用描点法作出a-1M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，说明重力沿木板方向的分力比摩擦力大．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.(1)①5.00②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均正确)热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计试题热点2．某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图甲为实验装置简图．(交流电的频率为50Hz)(1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2.(保留两位有效数字)(2)保持沙和沙桶的质量不变，改变小车的质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的1m，数据见下表：实验次数12345678小车加速度a/(m·s－2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.671m/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点请在图丙给出的方格坐标纸中画出a-1m图线，根据图线可知小车加速度a与质量的倒数1m之间的关系是________．(3)保持小车质量m不变，改变沙和沙桶质量M，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线如图丁所示，该图线不通过原点，其主要原因是_______________________________.解析热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点解析解析：(1)根据纸带数据可知Δx＝0.51×10－2m，T＝2×0.02s＝0.04s，所以a＝ΔxT2≈3.2m/s2.(2)a-1m图线如图所示．a-1m图线为过原点的直线，说明小车加速度a与质量的倒数1m之间是正比关系．(3)根据图线可知，当拉力F增加到某一值时，小车才具有加速度，所以小车还受到较大的摩擦力影响．(1)3.2(2)图见解析正比关系(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分热点一实验原理与操作热点二数据处理及误差分析热点三创新实验设计热点1．(2015·高考全国卷Ⅱ)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50Hz，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a＝________m/s2，打C点时物块的速度v＝________m/s；