高考物理一轮复习 实验4 验证牛顿运动定律课件.ppt

实验4验证牛顿运动定律 2 一 实验目的1 掌握用控制变量法研究物理规律 2 学会利用图象处理数据的方法 3 验证牛顿第二定律 二 实验原理本实验中 研究的参量有f m a 1 控制m一定 研究a与f的关系 2 控制f一定 研究a与m的关系 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 砝码 3 四 实验步骤1 称量质量 用天平测量小盘的质量m1和小车的质量m2 2 安装器材 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绳系在小车上 即不给小车牵引力 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 反复移动薄木块的位置 直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态 4 4 让小车靠近打点计时器 挂上小盘和砝码 先接通电源 再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑 打出一条纸带 计算小盘和砝码的重力 即为小车所受的合外力 由纸带计算出小车的加速度 并把力和对应的加速度填入表1中 5 改变小盘内砝码的个数 重复步骤4 并多做几次 6 保持小盘内的砝码个数不变 在小车上放上砝码改变小车的质量 让小车在木板上滑动打出纸带 计算砝码和小车的总质量m 并由纸带计算出小车对应的加速度 并将所对应的质量和加速度填入表2中 7 改变小车上砝码的个数 重复步骤6 并多做几次 5 表1 6 表2 7 五 数据处理1 计算加速度 先在纸带上标明计数点 测量各计数点间的距离 根据逐差法计算各条纸带对应的加速度 2 作图象找关系 根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力f 建立直角坐标系 描点画a f图象 如果图象是一条过原点的倾斜直线 便证明加速度与作用力成正比 再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量m 建立直角坐标系 描点画图象 如果图象是一条过原点的倾斜直线 就证明了加速度与质量成反比 8 六 误差分析1 测量误差 1 质量的测量 2 打点间隔距离的测量 2 操作误差 1 拉线或纸带与木板不平行 2 倾斜角度不当 平衡摩擦力不准 3 原理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 9 七 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 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 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 10 11 考点一 考点二 考点三 实验的原理与操作例1如图甲为 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m0 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 甲 12 考点一 考点二 考点三 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b 填正确答案标号 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 13 考点一 考点二 考点三 2 实验中要进行质量m和m0的选取 以下最合理的一组是c 填正确答案标号 a m0 200g m 10g 15g 20g 25g 30g 40gb m0 200g m 20g 40g 60g 80g 100g 120gc m0 400g m 10g 15g 20g 25g 30g 40gd m0 400g m 20g 40g 60g 80g 100g 120g 14 考点一 考点二 考点三 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 0 42m s2 结果保留两位有效数字 乙 15 考点一 考点二 考点三 解析 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 因此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 不应挂砂桶 小车应连接纸带 选项a c错误 b正确 2 由于绳子的拉力不易测量 本实验中用砂和砂桶的总重力来代替绳的拉力 而砂桶做加速运动 设加速度大小为a 则ft m g a 当砂桶的加速度很小时 ft近似等于mg 因此实验中应控制实验条件 使砂桶的加速度很小 只有当小车和砝码的总质量远大于砂和砂桶的总质量时 小车和砂桶的加速度才很小 绳的拉力才近似等于砂和砂桶的总重力 选项c正确 16 考点一 考点二 考点三 17 考点一 考点二 考点三 数据处理和误差分析例2某同学利用图 a 所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图 如图 b 所示 实验中小车 含发射器 的质量为200g 实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮 小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到 回答下列问题 图 a 图 b 18 考点一 考点二 考点三 1 根据该同学的结果 小车的加速度与钩码的质量成非线性 选填 线性 或 非线性 关系 2 由图 b 可知 a m图线不经过原点 可能的原因是存在摩擦力 3 若利用本实验装置来验证 在小车质量不变的情况下 小车的加速度与作用力成正比 的结论 并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力 则实验中应采取的改进措施是调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 钩码的质量应满足的条件是远小于小车的质量 19 考点一 考点二 考点三 解题探究 a m 图线不过原点说明了什么 直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力 需要满足什么条件 提示 a m 图线不经过原点说明存在摩擦力 提示 钩码的质量要 远小于 小车的质量 20 考点一 考点二 考点三 解析 1 由小车的加速度与钩码质量的关系图可知 描的点不在一条直线上 两者为非线性关系 2 由关系图可知 当钩码质量不为零 即小车受到一定的拉力时 其加速度为零 原因可能是小车受到摩擦力的作用 3 调节轨道的倾斜度 平衡摩擦力 使得小车受的合力等于绳对小车的拉力 分别对小车和钩码受力分析 由牛顿第二定律得 f m0a和mg f ma 解得 可知当m0 m时 f mg 因此 平衡摩擦力后 再使钩码的质量远小于小车的质量 就可以直接以钩码的重力作为小车受到的合外力 21 考点一 考点二 考点三 规律总结 1 实验数据的处理方法 图象法 化曲为直法 探究加速度与力的关系以加速度a为纵坐标 f为横坐标 根据测量的数据描点 然后作出图象 看图象是否是通过原点的直线 就能判断a与f是否成正比 探究加速度与质量的关系以a为纵坐标 m为横坐标 根据各组数据在坐标系中描点 将会得到如图甲所示的一条曲线 由图线只能看出m增大时a减小 但a与m具体是什么关系 不能得出 若以a为纵坐标 为横坐标 将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线 据此可判断a与m成反比 22 考点一 考点二 考点三 方法总结利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法 在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比 那么 x就应与成正比 因为在处理数据时 判断一条图线是否为正比例函数图象比判断其是否为反比例函数图象要简单和直观得多 所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理 23 考点一 考点二 考点三 2 误差分析 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 因实验原理不完善造成误差 本实验中用重物的重力代替小车受到的拉力 实际上小车受到的拉力要小于重物的重力 存在系统误差 重物质量越接近小车的质量 误差就越大 反之 重物质量越小于小车的质量 误差就越小 平衡摩擦力不准造成误差 在平衡摩擦力时 除了不挂重物外 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 24 考点一 考点二 考点三 实验改进与创新高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材 是在教材实验的基础上创设新情境 因此 要在夯实教材实验的基础上注重迁移创新能力的培养 善于用教材中实验的原理 方法和技巧处理新问题 25 考点一 考点二 考点三 26 考点一 考点二 考点三 27 考点一 考点二 考点三 例3使用如图所示的气垫导轨装置探究加速度与力的关系 其中g1 g2为两个光电门 它们与数字计时器相连 当滑行器通过g1 g2光电门时 光束被遮挡的时间 t1 t2都可以被测量并记录 滑行器连同上面固定的条形挡光片的总质量为m0 挡光片宽度为d 光电门之间的距离为x 牵引砝码的质量为m 回答下列问题 1 实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉 使气垫导轨水平 在不增加其他仪器的情况下 如何判定调节是否到位 答 取下牵引砝码 滑行器放在任意位置都不动 或取下牵引砝码 轻推滑行器 数字计时器记录的每一个光电门的光束被挡的时间 t都相等 28 考点一 考点二 考点三 2 若取m0 0 4kg 改变m的值 进行多次实验 以下m的取值不合适的一个是 d a m1 5gb m2 15gc m3 40gd m4 400g 3 在此实验中 需要测得每一个牵引力对应的加速度 求得的加速度的表达式为 用 t1 t2 d x表示 29 考点一 考点二 考点三 解析 1 取下牵引砝码 滑行器放在任意位置都不动 或取下牵引砝码 轻推滑行器 数字计时器记录的每一个光电门的光束被挡的时间 t都相等 2 由m0 m可知 选项d不合适 30 考点一 考点二 考点三 解题探究 如果气垫导轨水平 则不挂牵引砝码时 滑行器应处于什么状态 实验时满足什么条件 滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重力 滑行器加速度的求解 提示 如果气垫导轨水平 则不挂牵引砝码时 滑行器应处于静止状态 或轻推滑行器后滑行器能处于匀速直线运动状态 提示 当m0 m时 滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重力 31 1 2 3 4 5 1 2015 全国理综 22 某同学用图 a 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 b 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 3 25m s2 打c点时物块的速度v 1 79m 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c 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 32 1 2 3 4 5 33 1 2 3 4 5 2 某实验小组利用图示的装置探究加速度与力 质量的关系 1 下列做法正确的是ad 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 将装有砝码的砝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 通过增减木块上的砝码改变质量时 不需要重新调节木板倾斜度 34 1 2 3 4 5 2 为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力 应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量远小于 选填 远大于 远小于 或 近似等于 木块和木块上砝码的总质量 3 甲 乙两同学在同一实验室 各取一套图示的装置放在水平桌面上 木块上均不放砝码 在没有平衡摩擦力的情况下 研究加速度a与拉力f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m甲 m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 m甲 乙 均选填 或 35 1 2 3 4 5 解析 1 实验时 要保证牵引木块的细线与长木板平行 即使拉力方向与长木板平行 选项a正确 平衡摩擦力时 让木块的重力沿斜面的分力与摩擦力平衡 不能悬挂砝码桶 选项b错误 实验时 应先接通打点计时器电源 再释放木块 选项c错误 整个实验过程只需平衡一次摩擦力即可 选项d正确 2 当砝码桶及桶内砝码的总质量远小于木块及木块上砝码的总质量时 才能近似认为木块运动时受的拉力等于砝码桶及桶内砝码总重力 3 根据牛顿第二定律有f mg ma 即 f 图线的斜率表示质量倒数 所以m甲 乙 36 1 2 3 4 5 3 2015 吉林长春质量监测 某同学利用如图甲所示的装置探究小车的加速度与所受合外力的关系 具体实验步骤如下 按照图甲所示安装好实验装置 并测出两光电门间距离l 平衡摩擦力即调节长木板的倾角 轻推小车后 使小车沿长木板向下运动 且通过两个光电门的时间相等 取下细绳和砂桶 测量砂和砂桶的总质量m 并记录 把小车置于靠近滑轮的位置 由静止释放小车 记录小车先后通过光电门甲和乙时显示的时间 并计算出小车到达两个光电门时的速度和运动的加速度 重新挂上细绳和砂桶 改变砂桶中砂的质量 重复 的步骤 甲 37 1 2 3 4 5 1 用游标卡尺测得遮光片宽度如图乙所示 宽度d 0 675cm 乙 2 关于本实验的说法正确的是b a 平衡摩擦力时要取下细绳和砂桶b 平衡摩擦力时不需要取下细绳和砂桶c 砂桶和砂的总质量必须远远小于小车的质量d 小车的质量必须远远小于砂桶和砂的总质量 3 若实验中测量遮光片宽度时存在测量误差 测量结果偏大 其他条件不变 则小车加速度的测量值大于 选填 大于 等于 或 小于 真实值 38 1 2 3 4 5 解析 1 遮光片的宽度d 0 6cm 15 0 05mm 0 675cm 2 本实验中 砂桶和砂的总质量所对应的重力即为小车做匀变速运动时所受的合外力大小 所以不需要 砂桶和砂的总质量必须远远小于小车的质量 的实验条件 同时平衡摩擦力时不需要取下细绳和砂桶 选项b正确 选项a c d错误 3 由加速度和遮光片宽度之间的数量关系可知 在保持其他实验条件不变的前提下 加速度大小与遮光片宽度的二次方成正比 所以加速度测量值大于真实值 39 1 2 3 4 5 4 下面表格里是做 验证牛顿第二定律 实验时 小车的加速度a与拉力f的数据 1 请根据表中的数据在图中作出a f图线 2 图线若不过原点 其原因 木板倾角过大或者平衡摩擦过度 3 图线的斜率的物理意义是小车的质量的倒数