2020版高考物理一轮复习 第三章 实验四 验证牛顿运动定律课件 新人教版

实验四验证牛顿运动定律实验图示记心中考纲解读1.学会用控制变量法研究物理规律．2.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法．3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律.高效演练强化提升研透命题点研透命题点命题点一教材原型实验(2019·宁夏长庆检测)在“验证牛顿第二定律”的实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，砂和砂桶的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带计算出．(1)实验中，为了使细线对小车的拉力大小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．改变砂桶中砂子的多少，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B(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、35g、40gB．M＝200g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120gC．M＝400g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、35g、40gD．M＝400g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120gC(3)已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，每相邻两个计数点间还有4个点未画出，利用图给数据可求出小车运动的加速度a＝________m/s2.(结果保留三位有效数字)1.58【解析】(1)为了使细线对小车的拉力大小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，即平衡摩擦力，B正确．(2)当m远远小于M时，即当砂和砂桶总质量远远小于小车和砝码的总质量，细线的拉力大小近似等于砂和砂桶的总重力．因此最合理的一组是C.(3)相邻的两个计数点之间还有四个点未画出，两相邻的计数点时间间隔为T＝0.1s，利用匀变速直线运动的推论Δx＝aT2，得xDE－xAB＝3a1T2、xEF－xBC＝3a2T2、xCD－xOA＝3a3T2，则加速度应为a＝a1＋a2＋a33＝0.1071＋0.0910＋0.0757－0.0595＋0.0440＋0.02809×0.01m/s2≈1.58m/s2.1．如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有砂子，砂桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m，小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为M.(1)验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些砂子，装入砂桶中，称量并记录砂桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出．多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度．本次实验中，桶内的砂子取自小车中，故系统的总质量不变，以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a­F图象，图象是一条过原点的直线．①a­F图象斜率的物理意义是.②你认为把砂桶的总重力mg当作合外力F是否合理？答：．(填“合理”或“不合理”)1M＋m合理③本次实验中，是否应该满足M≫m这样的条件？答：(填“是”或“否”)．理由是.(2)验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：保持桶及桶内砂子质量m不变，在盒子内添加或去掉一些砂子，验证加速度与质量的关系．本次实验中，桶内的砂子总质量不变，故系统所受的合外力不变．用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以M＋m倒数为横轴．否因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的合外力就等于mg解析：本题考查验证牛顿第二定律实验．(1)将车内的砂子转移到桶中，就保证了M＋m不变，即系统的总质量不变，研究对象是整个系统，a＝F合M＋m＝mgM＋m，可见a­F图象斜率的物理意义是1M＋m，系统的合外力就等于所悬挂砂桶的重力mg，不必满足M≫m这样的条件．(2)向小车内添加或去掉部分砂子，是改变系统的总质量M＋m，而系统的合外力仍等于所悬挂砂桶的重力mg，保证了合外力不变．1实验操作步骤注意事项：①平衡小车的滑动摩擦力时，砂桶不能拴在小车上；②改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力；③实验过程中，应先接通电源，再放开小车.2实验原理的理解：①平衡小车摩擦力后，细线的拉力即为小车所受的合外力；②只有满足砂桶及桶内砂的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量时，细线的拉力大小才近似等于砂桶及桶内砂的总重力.命题点二实验拓展创新1．实验器材的改进(1)气垫导轨(不用平衡摩擦力)――→替代长木板(如图)(2)利用光电门测速度(如图)(3)利用位移传感器测位移(如图)2．数据测量的改进测定通过的时间，由a＝12xdt22－dt12求出加速度小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到――→替代通过打点纸带求加速度(2019·河北石家庄测试)在用DIS研究小车加速度与外力的关系时，某实验小组先用如图(a)所示的实验装置，重物通过滑轮用细线拉小车，在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器，位移传感器(发射器)随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器(接收器)固定在轨道一端．实验中力传感器的拉力为F，保持小车(包括发射器)的质量不变，改变重物重力重复实验若干次，得到加速度与外力的关系图象如图(b)所示．(重力加速度g取10m/s2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力)．(1)小车与轨道间的滑动摩擦力f＝________N.(2)从图(b)中分析，小车(包括位移传感器发射器)的质量为________kg.(3)为得到a与F成正比的关系，应将斜面的倾角θ调整到tanθ＝________.0.50.7114【解析】(1)根据图象可知，当F＝0.5N时，小车开始有加速度，则f＝0.5N；(2)设小车的质量为M，根据牛顿第二定律得，a＝F－fM＝1MF－fM，则a­F图象的斜率表示小车质量的倒数，则M＝1k＝4－0.55－0kg＝0.7kg；(3)为得到a与F成正比的关系，则应该平衡摩擦力，则有Mgsinθ＝μMgcosθ，解得tanθ＝μ，根据f＝μMg，得μ＝0.50.7×10＝114，所以tanθ＝114.2．(2019·安徽联盟)在“验证牛顿运动定律”的实验中，某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置进行实验．(1)用20分度的游标卡尺测出挡光片的宽度如图乙所示，则宽度d＝cm.(2)接通气源，调节气垫导轨水平，让滑块从不同位置由静止释放，记录挡光片通过光电门的挡光时间t，测出释放点到光电门的间距为s，以s为纵轴，1t2为横轴作图，得到的图象是一条过原点的倾斜直线，且斜率为k，则滑块的加速度a＝(用d、k表示)．0.940d22k(3)若以测得的滑块加速度a为纵轴，所挂钩码的重力代替拉力F，作出如图丙中图线1.为了减小误差，该兴趣小组将一个力传感器安装在滑块上(传感器的质量可忽略不计)，从力传感器中得出拉力F，作出a­F图象是图丙中的图线(填“2”或“3”)．2解析：(1)游标卡尺读数为：0.9cm＋8×0.05mm＝0.940cm；(2)滑块做匀加速直线运动，有2as＝v2，又v＝dt，可得s＝d22at2，已知斜率为k，可得a＝d22k；(3)因钩码及滑块做加速运动，可知细线的拉力应比钩码的重力小，而用传感器测出的是滑块所受的实际的拉力，此时a­F图象应为图线2.命题点三测定动摩擦因数(2018·全国卷Ⅱ)某同学用图(a)所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数．跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连，滑轮和木块间的细线保持水平，在木块上方放置砝码．缓慢向左拉动水平放置的木板，当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时，弹簧秤的示数即木块受到的滑动摩擦力的大小．某次实验所得数据在下表中给出，其中f4的值可从图(b)中弹簧秤的示数读出．砝码的质量m/kg0.050.100.150.200.25滑动摩擦力f/N2.152.362.55f42.93回答下列问题：(1)f4＝________N；(2)在图(c)的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f­m图线；(3)f与m、木块质量M、木板与木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式为f＝________________，f­m图线(直线)的斜率的表达式为k＝________；(4)取g＝9.80m/s2，由绘出的f­m图线求得μ＝________.(保留2位有效数字)2.75μ(M＋m)gμg0.40【解析】本题考查物体的平衡、滑动摩擦力的计算及分析图象的能力．(1)由图可知弹簧秤的读数为2.75N．(2)画图线时应使尽可能多的点落在线上，不在线上的点应均匀分布在线的两侧．(3)以木块和砝码为研究对象，整体水平方向受木板的滑动摩擦力和细线的拉力，f＝μ(M＋m)g，整理得f＝μmg＋μMg，故f­m图线的斜率k＝μg.(4)由图知k＝3.9N/kg，故μ＝kg≈0.40.【答案】3．(2019·甘肃会宁模拟)某同学设计了一个如图甲所示的装置来测定滑块与水平木板间的动摩擦因数，其中A为滑块，B和C是钩码，个数可调．A的左端与打点计时器的纸带相连(未画出)，通过打点计时器打出的纸带测出系统的加速度．实验中该同学在钩码总质量(m＋m′＝m0)保持不变的条件下，多次改变B和C的个数，重复测量．不计细线和滑轮的质量及它们之间的摩擦．(1)实验中除电磁打点计时器、纸带、若干个质量均为50克的钩码、滑块、一端带有定滑轮的长木板、细线外，为了完成本实验，还应有.A．秒表B．毫米刻度尺C．天平D．低压交流电源BD(2)实验中该同学得到一条较为理想的纸带，如图乙所示．现从清晰的O点开始，每隔4个点取一计数点(中间4个点没画出)，分别记为A、B、C、D、E、F.测得各计数点到O点的距离分别为OA＝1.61cm，OB＝4.02cm，OC＝7.26cm，OD＝11.30cm，OE＝16.14cm，OF＝21.80cm，打点计时器打点频率为50Hz.由此纸带可得到打E点时滑块的速度v＝m/s，此次实验滑块的加速度a＝m/s2.(结果均保留两位有效数字)0.530.81(3)在实验数据处理中，该同学以m为横轴，以系统的加速度a为纵轴，绘制了如图丙所示的图线，结合本实验可知滑块与木板间的动摩擦因数为μ＝.(g取10m/s2)0.3解析：(1)打点计时器通过打点可记录纸带运动的时间，则不需要秒表，A错误；实验需要测量两点之间的距离，因此需要毫米刻度尺，B正确；本实验中可以不测滑块的质量，而且钩码的质量已知，因此天平可以不选，C错误；电磁打点计时器要用到低压交流电源，D正确；(2)每隔4个点取一计数点，相邻计数点之间的时间间隔为0.1s，故用平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得v＝xOF－xOD2T＝21.80－11.302×0.1×10－2m/s≈0.53m/s，由Δx＝at2，可得a＝Δxt2＝xCF－xOC0.3s2≈0.81m/s2；(3)对A、B、C组成的系统应用牛顿第二定律可得a＝mg－μM＋m′gM＋m0＝1＋μmgM＋m0－μg，所以a­m图象中，纵轴的截距为－μg，故－μg＝－3.0m/s2，得μ＝0.3.高效演练强化提升1．如图所示为“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置图．图中A为小车，质量为m1，连接在小车后面的纸带穿过电火花打点计时器B，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，P的质量为m2，C为弹簧测力计，实验时改变P的质量，读出测力计不同读数F，不计绳与滑轮的摩擦．(1)下列说法正确的是()A．一端带有定