（名师导学）2020版高考物理总复习 第三章 第4节 实验：验证牛顿运动定律课件 新人教版

第4节实验：验证牛顿运动定律一、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．二、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___________，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，再控制小盘和砝码的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，讨论加速度a与M的关系．控制变量法三、实验器材电磁打点计时器、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、砝码．四、实验步骤(一)测质量1．用天平测出小车和砝码的总质量M，小盘和砝码的总质量m，把测量结果记录下来．(二)仪器安装及平衡摩擦力2．按右图把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车施加牵引力．3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板．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直线运动状态．这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡．(三)保持小车的质量不变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，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码．5．保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质量m′记录下来，重复步骤4.6．步骤5中用6个不同的m′的值，分别得到六条纸带．7．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量各个计数点到0计数点间的距离，算出与每条纸带对应的小车加速度的值．8．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，作用力的大小F等于小盘和砝码的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比．(四)保持小盘和砝码的质量不变9．保持小盘和砝码的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点．如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比．五、注意事项1．平衡摩擦力：就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车施加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总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．2．实验条件：每条纸带必须在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的条件下打出．只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．3．操作顺序：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．六、误差分析1．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．2．因实验原理不完善造成误差：本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力)，存在系统误差．小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，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．考点1实验原理与操作例1根据图甲所示装置“探究加速度与力、质量的关系”，完成下面的题目．甲(1)有关实验以及数据处理，下列说法正确的是________．A．应使砂和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量，以减小实验误差B．可以用天平测出小桶和砂的总质量m1及小车和砝码的总质量m2；根据公式a＝m1gm2，求出小车的加速度C．处理实验数据时采用描点法画图象，是为了减小误差D．处理实验数据时采用a－1M图象，是为了便于根据图线直观地作出判断(2)某学生在平衡摩擦力时，把长木板的一端垫得过高，使得倾角偏大．他所得到的a－F关系可用图乙中的哪个表示？______(图中a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)．(3)某学生将实验装置按如图丙所示安装好，准备接通电源后开始做实验．他的装置图中，明显的错误是_________________________________．(写出两个)(4)图丁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.(结果保留二位有效数字)【解析】(1)应使砂和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量，以减小实验误差，故A正确；小车的加速度应通过打点计时器打出的纸带求出，不能用天平测出小桶和砂的总质量m1及小车和砝码总质量m2；根据公式a＝m1gm2求出小车的加速度，故B错误；处理实验数据时应采用描点法画图象，可以减小误差，故C正确；为了将图象画成我们熟悉的直线，更直观反映两个变量的关系．a与M成反比，故数据处理应作a－1M图象，故D正确．(2)在平衡摩擦力时，把长木板的一侧垫得过高，使得倾角偏大，小车重力沿木板向下的分力大于小车受到摩擦力，小车受到的合力大于砂桶的拉力，在砂桶对小桶施加拉力前，小车已经有加速度；在探究物体的加速度与力的关系时，作出的a－F图象在a轴上有截距，故C正确．(3)由实验原理图可知，打点计时器用的必须是交流电，图中用的是直流电，所以采用的电源不对．小车释放的位置应该靠近计时器，以便测量更多的数据来减小误差．同时木板水平，没有平衡摩擦力．故错误为：①打点计时器接的是直流电源．②小车释放的位置远离计时器③木板水平，没有平衡摩擦力．(4)利用匀变速直线运动的推论有：Δx＝at2，sDE－sAB＝3a1T2；sEF－sBC＝3a2T2；sFG－sCD＝3a3T2.为了更加准确地求解加速度，我们对三个加速度取平均值，得：a＝13(a1＋a2＋a3)＝0.42m/s2.【答案】(1)ACD(2)C(3)打点计时器使用直流电源；小车与打点计时器间的距离太长；木板水平，没有平衡摩擦力(4)0.42【小结】a—F图线只有在F是小车实际合外力的情况下才是过原点的直线，本实验中平衡摩擦力后，小车受到的合外力是绳子的拉力，对小车和吊盘分别列牛顿定律方程：FT＝Ma，mg－FT＝ma，可解得：a＝mgM＋m，FT＝MM＋m·mg.只有在Mm时FT≈mg，a—F图线才接近直线，一旦不满足Mm，描出的点的横坐标就会向右偏离较多，造成图线向右弯曲．1．某实验小组采用图1所示的装置做“探究加速度与力的关系”实验：小车放置在水平放置的长木板上，纸带连接车尾并穿过打点计时器，用来测定小车的加速度a，钩码通过细线对小车的拉力为F.在保持小车质量不变的情况下，改变对小车拉力F的大小，测得小车所受拉力F和加速度a的数据如下表：F/N0.400.600.801.001.20a/(m·s－2)0.100.200.290.410.49(1)在图2中，建立出a－F坐标系，根据测得的数据，在图中作出a－F关系图线．(2)若要让细线对小车的拉力F为小车受到的合外力，则实验中的改进措施是___．A．更换一块长木板B．适当增加小车的质量C．适当垫高长木板的右端D．适当增加钩码质量C(3)图3是实验中得到的一条已打点的纸带，纸带上的A、B、C、D、E、F、G均为相邻计数点，已知打点计时器的打点周期为0.02s，相邻两个计数点之间还有4个计时点未标出，由于E、F点打点模糊，只测量标记了AB、BC、CD、DG的距离，根据记录的数据，测得小车运动的加速度大小a＝____m/s2，打D点时的速度大小vD＝____m/s.(以上结果都保留2位有效数字)．0.400.35【解析】(1)①在a－F图象中根据所给的数据描点．②用一条直线连接这些点(连接时要让尽可能多得点落在直线上，让其他的点尽可能分布在直线的两侧)．作出图象如图所示：(2)若要使作出的a－F图线过坐标原点即绳子的拉力就等于小车所受的合外力，故需要平衡摩擦力，其方法是适当垫高长木板的右端．故C正确．(3)根据逐差法可知加速度为a＝xDG－xAD9T2＝0.1230－0.0250－0.0291－0.03299×0.12m/s2＝0.40m/s2，D点的瞬时速度为vD＝xAG6T＝0.1230＋0.0250＋0.0291＋0.03296×0.1m/s＝0.35m/s.考点2数据处理与误差分析例2实验小组利用图1装置“探究加速度与力、质量的关系”．(1)实验中使用的电火花计时器，应接________电源．A．交流4～6VB．交流220V(2)在实验中，得到一条打点的纸带，如图3所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，则：小车加速度的表达式为a＝____________________．(3)消除小车与水平木板之间摩擦力的影响后，可用小吊盘的总重力代替小车所受的拉力，则：小吊盘的m与小车总质量M之间应满足的关系为________．(4)在实验中，甲、乙两位同学根据实验数据画出如图2所示的小车的加速度a和小车所受拉力F的图象分别为图中的直线Ⅰ和直线Ⅱ，下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释，其中可能正确的是________．A．实验前甲同学没有平衡摩擦力B．甲同学在平衡摩擦力时把长木板的末端抬得过高了C．实验前乙同学可能没有平衡摩擦力D．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了【解析】(1)电磁打点计时器使用交流4～6V电压；而电火花计时器的电源应使用交流电压为220V；故B正确．(2)由匀变速直线运动的推论式Δx＝aT2，结合逐差法求三个加速度，x4－x1＝3a1T2，x5－x2＝3a2T2，x6－x3＝3a3T2，求平均加速度得a＝a1＋a2＋a33＝（x4＋x5＋x6）－（x3＋x2＋x1）9T2.(3)设重物的质量m，小车的质量M，设加速度为a，对小车F＝Ma；对重物mg－F＝ma，联立得：F＝MmgM＋m，只有当mM时，才可得F＝mg1＋mM≈mg，即用小吊盘的总重力代替小车所受的拉力．(4)甲图象表明在小车的拉力为0时，小车的加速度大于0，说明合外力大于0，说明平衡摩擦力过度，即把长木板的末端抬得过高了，故A错误，B正确．乙图象说明在拉力大于0时，物体的加速度为0，说明合外力为0，即绳子的拉力被摩擦力平衡了，即没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，也就是没有将长木板的末端抬高或抬高不够，故C正确，D错误．故选B、C.【答案】(1)B(2)（x4＋x5＋x6）－（x1＋x2＋x3）9T2(3)m《M(4)BC2．如图1所示，为“探究滑块加速度与力．质量的关系”实验装置图，滑块置于一端带有定滑轮的长木板上，左端连接纸带，纸带穿过电火花打点计时器，滑块的质量为m1，托盘(及砝码)的质量为m2.(1)实验中，得到一条打点的纸带，如图2所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T，且间距x1、x2、x3、x4已量出，则计算滑块加速度的表达式为a＝_________________(用x1、x2、x3、x4及T表示)．x4＋x3－x2－x14T2(2)某同学在平衡摩擦力后，保持滑块质量不变的情况下，通过多次改变砝码重力，作出滑块加速度a与砝码重力F(未包括托盘)的图象如图3所示，若牛顿第二定律成立，重力加速度g＝10m/s2，则滑块的质量为____kg，托盘的质量为______kg(结果保留两位有效数字)．2.80.056【解析】(1)由逐差法得：a＝x4＋x3－x2－x14T2.(2)对a－F图来说，图象的斜率表示物体质量的倒数，故滑块质量为：m1＝5.02.0－0.2kg＝2.8kg，