2017届高三物理一轮复习实验四验证牛顿第二定律课件

1、实验四 验证牛顿第二定律 基础自主梳理 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. 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. 基础自主梳理 四、实验步骤 1.用天平测量小盘的质量

2、 m0和小车的质量 M0. 2.把一端附有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打 点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端,连接好电路. 3.平衡摩擦力:小车的尾部挂上纸带,纸带穿过打点计时器的限位孔,将 木板无滑轮的一端稍微垫高一些,使小车在不挂小盘和砝码的情况下,能沿 木板做匀速直线运动.这样小车所受重力沿木板的分力与小车所受摩擦力 平衡.在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下,可以近似认为小 盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小. 基础自主梳理 4.把小车停在打点计时器处,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

3、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(一)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. 基础自主梳理 7.改变小车上砝码的个数,重复步骤 6,并将所对应的质量和加速度填 入表(二)中. 表(一) 实验次数 加速度 a/(ms-2) 小车受力 F/N 1 2 3 4 表(二) 实验次数 加速度 a/(ms-2) 小车和砝码的总质量 M/kg 1 2 3 基础自主梳理 五、数据处

4、理 1.需要计算各种情况下所对应的小车加速度,可使用“ 研究匀变速直线 运动” 的方法:先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据公式 a= ? ? 2计算加速度. 2.需要记录各组对应的加速度 a 与小车所受牵引力 F,然后建立直角坐 标系,用纵坐标表示加速度 a,横坐标表示作用力 F,描点画 a F 图象,如果图 象是一条过原点的直线,便证明加速度与作用力成正比.再记录各组对应的 加速度 a 与小车和砝码总质量 M,然后建立直角坐标系,用纵坐标表示加速 度 a,横坐标表示总质量的倒数 1 ?,描点画 a 1 ?图象,如果图象是一条过原点 的直线,就证明了加速度与质量成反比. 基础自主

5、梳理 六、注意事项 1.一定要做好平衡摩擦力的工作,也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,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车 拖着纸带运动. 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.每条纸带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.改变拉力和小车与砝码质量后,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

6、住小车. 基础自主梳理 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或过疏,误差会小些. 7.为提高测量精度 (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,每五个点标 出一个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为 T=0.1s. 精典考题例析 例1(2016乐山市第一次诊断性测试)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)(多选)下列做法正确的是_(填字母代号)

7、 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 精典考题例析 (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 木块和木块上 砝码的总质量.(选填“ 远大于”“远小于” 或“ 近似等于” ) (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

8、, 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 m 乙,甲 乙.(选填“ 大于”“小于” 或“ 等于” ) 精典考题例析 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,A 项正确;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,B 项错误;实验时,应先接通打点计时器电源,再释放木 块,C 项错误;整个实验过程只需平衡一次摩擦力即可,D 项正确. (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

9、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 a=-g+ 1 ?F,图线的斜率表示质 量倒数,所以 m甲乙. 答案:(1)AD (2)远小于 (3)小于 大于 精典考题例析 例例2某同学设计了如图所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨 道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数.滑块和托 盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m，托盘和盘 中砝码的总质量为m.实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加 速直线运动，重力加速度g取10 m/s2. (1)为测量滑块的加速度a，须测出它在A、B间运动的_与_， 计算a的运动

10、学公式是_； 精典考题例析 (2)根据牛顿运动定律得到a与m的关系为amg他想通过多次 改变m，测出相应的a值，并利用上式来计算.若要求a是m的一次函 数，必须使上式中的_保持不变，实验中应将从托盘中取出 的砝码置于_； (3)实验得到a与m的关系如图所示，由此可知_(取两位有 效数字) 精典考题例析 解析：(1)滑块从A到B做初速度为零的匀加速直线运动，由运动学公式可得 x1/2at2，a2x/t2，需要利用米尺测量滑块从A到B的位移x，利用秒表测时间 t.(2)利用整体法，以滑块、砝码和托盘为系统，受力分析，由牛顿第二定律可 得mg(Mm)g(Mmm)a，a(1+)g/M+(m+m) mg

11、，欲让a是m 的一次函数，则(1+)g/M+(m+m)不变，即在做实验时，保证mm不变，即 从托盘中取出的砝码放到滑块上(3)在图中的直线上取两个点，可得两个方 程0.23k0.064g，0.39k0.068g，解得0.23. 答案：(1)位移 时间 a (2)mm 滑块上 (3)0.23(0.210.25) 速效提升训练 1(2016泰安市期中教学测验)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，盒子内盛有沙子，沙桶的总质量(包括桶 以及桶内沙子质量)记为m，小车的总质量(包括小车、盒子及盒内沙子质 量)记为M. 速效提升训练 (1)验证在质量不变的情况F，加速度与合外力成

12、正比：从盒子中取出一些沙子， 装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度 a则从打下的纸带上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，桶内的沙子取自小车中，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 aF图线斜率的物理意义是_ 你认为把沙桶的总重力mg当做合外力F是否合理？ 答：_(填“合理”或“不合理”) 本次实验中，是否应该满足Mm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：保持桶内沙子质量m 不变，在盒子内添

13、加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系本次实验中 ，桶内的沙子总质量不变，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_的倒数为横轴 速效提升训练 解析：(1)将车内的沙子转移到桶中，就保证了Mm不变，即系统的 总质量不变，研究对象是整个系统，aF合/(M+m)mg/(M+m)，可见 a-F图线斜率的物理意义是1/(M+m），系统所受的合外力就等于所悬挂 沙桶的总重力mg，不必满足M? m这样的条件 (2)向盒子内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量Mm，而系 统的合外力仍等于所悬挂沙桶的总重力mg，保证了合外力不变 答案：(1) 合理 否 因为实验的研究对象是整个

14、系统，系 统受到的合外力就等于mg (2)Mm 速效提升训练 2(2016昆明市元月教学抽样检查)图(a)为测量物块与水平桌面之间动 摩擦因数的实验装置示意图实验步骤如下： (a) 用天平测量物块和遮光片的总质量M、重物的质量m；用游标卡尺测量 遮光片的宽度d；用米尺测量两光电门之间的距离s； 调整轻滑轮，使细线水平； 让物块从光电门A的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经 过光电门A和光电门B所用的时间tA和tB，求出加速度a； 多次重复步骤，求a的平均值 ； 根据上述实验数据求出动摩擦因数. 速效提升训练 回答下列问题： (1) 测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的

15、示数如图 (b)所示，其读数为_cm. (b) (2)物块的加速度a可用d、s、tA和tB表示为a_. (3)动摩擦因数可用M、m、a和重力加速度g表示为 _ (4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于 _(填“偶然误差”或“系统误差” ) 解析：(1)游标卡尺的读数为9 mm120.05 mm9.60 mm0.960 cm. (3)设细线的张力为T， 对M有TMgM 对m有mgTm 联立两式得 (4)细线没有调整到水平，造成张力T不水平，若此时以T水平来分析计 算，会造成测量值总是偏大或偏小，这种由于实验操作造成的误差，属 于系统误差 答案：(1)0.960 (2) (3) (4)系统

16、误差 速效提升训练 3.为了探究受到空气阻力时物体运动速度随时间的变化规律,某同学采用 了“ 加速度与物体质量、 物体受力关系” 的实验装置(如图所示).实验时,平衡 小车与木板之间的摩擦力后,在小车上安装一薄板,以增大空气对小车运动 的阻力. (1)往砝码盘中加入一小砝码,在释放小车 (选填“ 之前” 或“ 之后” ) 接通打点计时器的电源,在纸带上打出一系列的点. 速效提升训练 (2)从纸带上选取若干计数点进行测量,得出各计数点的时间 t 与速度 v的 数据如下表: 时间 t/s 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 速度 v/(ms-1) 0.12 0.19 0.23 0

17、.26 0.28 0.29 请根据实验数据作出小车的 v t 图象. (3)通过对实验结果的分析,该同学认为:随着运动速度的增加,小车所受的 空气阻力将变大.你是否同意他的观点?请根据 v t 图象简要阐述理由. 速效提升训练 答案:(1)之前 (2)如图所示 (3)同意.在 v t 图象中,速度越大时,加速度越小,小车受到的合力越小, 则小车所受空气阻力越大. 速效提升训练 4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 在一个合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的向笔定滑轮，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MN、 PQ，并测出间距d

18、，开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木 板刚刚开始运动为止，记下弹簧的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小 .再 将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示灵敏F1，然后 释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t. 速效提升训练 (1)木板的加速度可以用d、t表示为a_；为了减小测量加速度的 偶然误差，可以采用的方法是(一种即可） . (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F1的关系下 列图象能表示该同学实验结果的是_ (3)(多选)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可以更方便地获取多组实验

19、数据 c. 可以比较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 速效提升训练 解析：(1)木板做初速度为零的匀加速直线运动，其位移d1/2at2，加速度a 2d/t2，为了减小偶然误差，可多次测量时间t，取t的平均值 (2)F 1F0时，木板开始运 动，但F 1并非绳子的拉力而是瓶和水的总重力，只有当瓶和水的质量远小于木 板和弹簧秤的质量时，F 1才可以近似等于绳子拉力，此时a-F1图线为一段倾斜 的直线，瓶和水的质量不远小于木板和弹簧秤的总质量时，绳子的拉力将小于 F1，其a-F 1图线的斜率将逐渐减小，因而只有c项正确 (3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码相比，水的质量可以连续调节， 因而F1的大小也