（新课标）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

1、实验四实验四验证牛顿运动定律验证牛顿运动定律 一 实验目的 二 实验原理 三 实验器材 基基 础础 过过 关关 四 数据步骤 五 数据处理 六 注意事项 七 误差分析 考点一 实验原理和实验操作 考点二 实验数据处理和误差分析 考点三 实验拓展和实验创新 考考 点点 突突 破破 基础过关 一、实验目的一、实验目的 1.学会用控制变量法研究物理规律。 2.探究加速度与力、质量的关系。 3.掌握灵活运用图像处理问题的方法。 二、实验原理二、实验原理 本实验的实验装置图如图所示: 1.保持质量不变,探究加速度跟物体受力的关系。 2.保持物体所受的力不变,探究加速度与物体质量的关系。 3.作出a-F图

2、像和a-图像,确定其关系。 三、实验器材三、实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、一端附有定滑轮的长木板、薄木块、打点 计时器、低压交流电源、导线、纸带、复写纸、天平、刻度尺。 1 m 四、实验步骤四、实验步骤 1.测量:用天平测量小盘和砝码的总质量m和小车的质量m。 2.安装:按照实验装置图把实验器材安装好,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薄木块,使小车 在不挂砝码和小盘的情况下能匀速下滑。 4.实验操作 (1)将小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上,小车停在打点计时器处,先 接通电源后放开小车,打出一条纸带,取下纸带编号

3、码。 并计算出小盘和砝码的总重力,即小车所受的合外力。 (2)保持小车的质量m不变,改变砝码和小盘的总质量m,重复步骤(1)。 (3)在每条纸带上选取一段比较理想的部分,测加速度a。 (4)描点作图,作a-F图像。 (5)保持砝码和小盘的总质量m不变,改变小车质量m,重复步骤(1)和(3), 作a-图像。 1 m 五、数据处理五、数据处理 1.计算小车的加速度时,可使用“研究匀变速直线运动”的方法。利用 打出的纸带,采用逐差法求加速度。 2.作a-F图像、a-图像找关系。 六、注意事项六、注意事项 1.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,要让小车拖着纸带

4、运动。 1 m 2.实验步骤2、3不需要重复,即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。 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.作图像时,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 能均匀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制中的单位。 这样作图

5、线时,坐标点间距不会过密,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。 七、误差分析七、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,细绳或 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

6、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。 考点一实验原理和实验操作考点一实验原理和实验操作 考点突破 例例1某实验小组利用如图(a)所示的装置探究加速度与物体质量、物 体受力的关系。 (a) (1)下列做法正确的是(选填字母代号)。 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 桶通过细绳绕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

7、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 (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(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(b)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。(均选填“大于”“小于”或“等于”) (b) 答案答案(1)

8、AD(2)远小于(3)小于大于 解析解析(1)实验中细绳要与长木板保持平行,A项正确;平衡摩擦力时,不 应该将装有砝码的砝码桶通过细绳绕过定滑轮拴在木块上,B项错误;实 验时应先接通电源再放开木块,C项错误;平衡摩擦力后,改变木块上的 砝码的质量后不需要再重新平衡摩擦力,D项正确。 (2)设木块和木块上砝码的总质量为M,砝码桶及桶内砝码的总质量为m, 则细绳上的拉力为F=Ma=M=mg,可见,当砝码桶和桶内砝码 的总质量m远小于木块和木块上砝码的总质量M时,可得Fmg。 mg Mm 1 1 m M (3)不平衡摩擦力时,有F-mg=ma,则a=-g,a-F图线的斜率大,对应的 木块质量小,图线

9、纵轴截距绝对值大,对应的木块与木板间的动摩擦因 数大,因此m甲乙。 F m 变式变式1(2019河北石家庄期末)在探究加速度与物体质量、物体受力的 关系活动中,某小组设计了如图甲所示的实验装置。图中上下两层水平 轨道表面光滑,两小车前端系上细线,细线跨过滑轮并挂上砝码盘,两小 车后端的细线连到控制装置上,实验时通过控制装置使两小车同时开始 运动,然后同时停止。 甲 (1)在安装实验装置时,应调整滑轮的高度,使;在 实验时,为减小系统误差,应使砝码盘和砝码的总质量小车的 质量(选填“远大于”“远小于”或“等于”)。 (2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小,能这样比 较是因为。 (

10、3)小车、的质量均为200g。实验中获得的数据如下表所示: 实验次数实验次数小车小车拉力拉力F/N位移位移x/cm 10.1 0.246.51 20.229.04 0.343.63 30.341.16 0.444.80 40.436.43 0.545.56 在第1次实验中,小车从A点运动到B点的位移如图乙所示,请将测 量结果填到表中空格处。通过分析,可知表中第次实验数据 存在明显错误,应舍弃。 乙 答案答案(1)细线与轨道平行远小于 (2)两小车都从静止开始做匀加速直线运动,且运动时间相等 (3)23.36(23.3423.38均对)3 解析解析(1)安装实验装置时,应调整滑轮高度,使拉小车的

11、细线与轨道平 行。只有在砝码盘和砝码的总质量远小于小车的质量时,才能认为砝码 盘和砝码的总重力近似等于细线拉小车的力。 (2)对初速度为零的匀加速直线运动,根据运动学公式有x=at2,运动时 间相等时有=。 1 2 1 2 a a 1 2 x x (3)由题图乙可知刻度尺的分度值是1mm,读数时要估读到分度值的下 一位,则测量结果为23.86cm-0.50cm=23.36cm。 当小车质量一定时,小车的加速度与合外力成正比;本题中两小车均做 初速度为零的匀加速直线运动,且运动时间相等,所以两小车的位移之 比等于加速度之比。由此可知,小车所受的拉力之比应该近似等于位移 之比,由实验数据可发现,第

12、3次实验数据存在明显错误,应舍弃。 考点二实验数据处理和误差分析考点二实验数据处理和误差分析 例例2(2016课标,23,10分)某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物 体加速度与其所受合外力之间的关系。图中,置于实验台上的长木板水 平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑 车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可 用的钩码共有N=5个,每个质量均为 0.010kg。实验步骤如下: 图(a) (1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块, 使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。 (2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n

13、个钩码仍留在 小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器 记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图像,经数据处理后 可得到相应的加速度a。 (3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图像如图(b)所示;由图(b) 求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。 (4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图像。从图像 可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。 n12345 a/ms-20.200.580.781.00 图(b)图(c) (5)利用a-n图像求得小车(空载)的质量为kg(保留2位有效数 字,

14、重力加速度取g=9.8ms-2)。 (6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是 (填入正确选项前的标号)。 A.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大 答案答案(3)0.39(在0.370.49范围内均可) (4)如图所示 (5)0.45(在0.430.47范围内均可) (6)BC 解析解析(3)由s=at2得a=,在s-t图像中找一点坐标,代入公式即可求出a。 (5)对小车和钩码组成的系统应用牛顿第二定律,有nmg=(M+Nm)a,则a= =,a-n图线的斜率k=,从而可解出M。 (6)对于已平衡摩擦力的情

15、况,对整体应用牛顿第二定律,有nmg=(M+Nm) a,则a=n;对于木板水平的情况,对整体应用牛顿第二定律,有 nmg-M+(N-n)mg=(M+Nm)a,整理得a=n-g,比较可见, B、C均正确。 1 2 2 2s t nmg MNm 0.098 0.05 n M 0.098 0.05M mg MNm (1) mg MNm 变式变式2某实验小组利用如图甲所示装置“探究加速度与物体受力的 关系”,已知小车的质量为M,单个钩码的质量为m,打点计时器所接的交 流电源的频率为50Hz,动滑轮质量不计。实验步骤如下: 甲 乙 按图所示安装好实验装置,其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直; 调节长

16、木板的倾角,轻推小车后,使小车能沿长木板向下匀速运动; 挂上钩码,接通电源后,再放开小车,打出一条纸带,由纸带求出小车的加 速度; 改变钩码的数量,重复步骤,求得小车在不同合力作用下的加速度。 根据上述实验过程,回答以下问题: (1)对于上述实验,下列说法正确的是。(填选项前的字母) A.钩码的质量应远小于小车的质量 B.实验过程中钩码处于超重状态 C.与小车相连的细线与长木板一定要平行 D.弹簧测力计的读数应为钩码重力的一半 (2)实验中打出的一条纸带如图乙所示,图中相邻两计数点间还有4个点 未画出,由该纸带可求得小车的加速度a=m/s2(结果保留两位 有效数字)。若交流电的实际频率高于50

17、Hz,则上述计算结果与实际值 相比较(填“偏大”“偏小”或“相同”)。 (3)由本实验得到的数据作出小车的加速度a与弹簧测力计的示数F的关 系图像,与本实验相符合的是。 答案答案(1)C(2)0.88偏小(3)A 解析解析(1)由题图甲可知,实验装置中有弹簧测力计,细线的拉力可以通 过弹簧测力计读出,不需要钩码的质量远小于小车的质量,故A项错误; 实验过程中,钩码向下加速运动,处于失重状态,故B项错误;与小车相连 的细线与长木板一定要平行,保证拉力沿着木板方向,故C项正确;实验 过程中,钩码向下加速运动,处于失重状态,故弹簧测力计的读数小于钩 码总重力的一半,D项错误。 (2)设相邻两计数点之

18、间的距离分别为x1、x2、x3、x4,相邻两计数点之间 的时间间隔T=0.1s,由x=aT2得a=0.88m/s2。如果在某次 实验中,实际所用的交流电的频率高于50Hz,那么实际打点周期变小,根 据运动学公式计算的结果与实际值相比是偏小的。 (3)由题意可知,小车的加速度a与弹簧测力计的示数F应成正比,即a-F图 线为过原点的一条倾斜直线,故A符合。 3421 2 4 xxxx T 创新角度创新角度实验装置实验装置原理图原理图创新解读创新解读 实验 原理 创新 1.利用力传感器可得轻绳上拉力大小 2.将探究加速度与合力的关系转化为探究加速 度与力传感器的示数的关系 实验 器材 创新 利用位移

19、传感器与计算机相连,直接得出小车的 加速度 2 B v 2 A v 考点三实验拓展和实验创新考点三实验拓展和实验创新 创新角度创新角度实验装置实验装置原理图原理图创新解读创新解读 实验 器材 创新 1.用光电门代替打点计时器,结合遮光条的宽度 可测滑块的速度 2.利用气垫导轨代替长木板,无需平衡摩擦力 3.由力传感器测滑块的拉力,无需满足mM 实验 过程 创新 1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度,由- =2ax得出物块的加速度 2.结合牛顿第二定律mg-Mg=(M+m)a得出物块 与水平桌面间的动摩擦因数 2 B v 2 A v 例例3某同学利用图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车

20、加 速度a与钩码的质量m的对应关系图,如图乙所示。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: (1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成(填“线 性”或“非线性”)关系。 (2)由图乙可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是。 (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,钩码的质量应满足 的条件是。 答案答案(1)非线性(2)存在摩擦力(3)调节轨道的倾斜度以

21、平衡摩擦 力远小于小车(含发射器)的质量 解析解析(1)根据题图乙坐标系中给出的数据连线,可知小车的加速度与 钩码的质量成非线性关系。 (2)根据题图乙可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是未平衡摩擦力或 倾角过小,没有完全平衡摩擦力。 (3)在实验中要求“直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力” 需要满足两个条件:平衡摩擦力;钩码的质量远小于小车(含发射器) 的质量。 变式变式3(2019湖北黄石大冶一中期中)某同学利用如图甲所示装置探究 加速度与合外力的关系。利用力传感器测量细线上的拉力。按照如下 步骤操作: 甲 安装好打点计时器和纸带,调整长木板的倾斜程度,平衡小车所受的 摩擦力;

22、 小车与细线相连,细线通过长木板一端光滑的定滑轮和动滑轮,与力 传感器相连,动滑轮上挂上一定质量的钩码,将小车拉到靠近打点计时 器的一端; 打开力传感器并接通打点计时器的电源(频率为50Hz的交流电源); 释放小车,使小车在长木板上做匀加速直线运动; 关闭传感器,记录下力传感器的示数F,通过分析纸带得到小车的加 速度a； 改变钩码的质量,重复步骤; 作出a-F图像,得到实验结论。 (1)本实验在操作中是否需要满足钩码的质量远远小于小车的质量? (选填“需要”或“不需要”);某次释放小车后,力传感器的示数 为F,通过天平测得小车的质量为M,动滑轮和钩码的总质量为m,不计滑 轮的摩擦,则小车的加速

23、度理论上应等于。 A.B.C.D. 2 F M F M 2mgF M 2F M (2)如图乙所示是某次实验测得的纸带的一段,可以判断纸带的 (填“左”或“右”)端与小车连接;在打点计时器打下计数点6 时,钩码的瞬时速度大小为m/s(保留两位有效数字)。 乙 答案答案(1)不需要B(2)左0.75 解析解析(1)本实验利用力传感器测量细线上的拉力,不需要用钩码的重 力代替,所以不需要满足钩码的质量远远小于小车的质量。小车的加速 度大小等于它所受的合外力与质量的比值,故a=,B正确。 (2)纸带右侧两点间的距离越来越大,故纸带左端与小车相连。打点计 时器打下计数点6时小车的瞬时速度为打点计时器打下

24、计数点5到打下 计数点7过程小车的平均速度,故v=m/s=0.75m/s。 F M 0.03 0.04 1.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=m/s2,打C点时物块的速度v= m/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 (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 答案答案(1)3.251.79(2)C 解析解析(1)a=3.25m/s2 vC=1.79m/

25、s (2)因为a=gsin-gcos 所以= 欲求出还需知道斜面倾角,故选C项。 2 (2 ) CEAC ss T 2 BD s T sincosmgmg m sin cos ga g a 2.如图所示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: 用天平测量物块和遮光条的总质量M、重物的质量m;用游标卡尺测 量遮光条的宽度d=0.950cm;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条 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

26、物块与水平桌面间动摩擦因数。 回答下列问题: (1)物块的加速度a可用d、s、tA和tB表示为a=; (2)动摩擦因数可用M、m、和重力加速度g表示为=; (3)如果滑轮略向下倾斜,使细线没有完全调节水平,由此测得的 (填“偏大”或“偏小”);这一误差属于(填“偶然误差”或 “系统误差”)。 a 答案答案(1)(2) (3)偏大系统误差 1 2s 22 BA dd tt ()mgMm a Mg 解析解析(1)根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知,物块通过光电 门的速度vA=,vB=,根据运动学公式得,a= 。 A d t B d t 22 2 BA vv s 1 2s 22 BA dd tt

27、 (2)对物块和重物组成的系统研究,根据牛顿第二定律得,a=,解 得动摩擦因数=。 (3)如果滑轮略向下倾斜,使细线没有完全调节水平,则物块对接触面的 正压力测量值偏小,测得的加速度偏小,根据动摩擦因数的表达式知,动 摩擦因数测量值偏大,该误差属于系统误差。 mgMg Mm ()mgMm a Mg 3.在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时,采用如图所示的 实验装置,小车及车中的砝码质量用M表示,盘及盘中的砝码质量用m表 示,小车的加速度可由小车后拖动的纸带上由打点计时器打出的点计算 出: (1)当M与m的大小关系满足时,才可以认为细线对小车的拉力 大小等于盘和盘中砝码的重力。 (2)一

28、组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下,探究加速度与 小车质量的关系,以下做法正确的是。 A.平衡摩擦力时,应将盘及盘中的砝码用细线绕过定滑轮系在小车上 B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力 C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器电源 D.小车运动的加速度可用天平测出m和M,直接用公式a=求出 (3)在保持小车及车中的砝码质量M一定,探究加速度与所受合外力的关 系时,由于平衡摩擦力时操作不当,两位同学得到的a-F关系分别如图 mg M 甲、乙所示(a是小车的加速度,F是细线作用于小车的拉力)。 其原因分别是: 甲图:; 乙图:。 答案答案(1)mM(2)B(3)木板的倾角过大没

29、有平衡摩擦力或平衡 摩擦力不足 解析解析(1)对盘及盘中砝码有mg-F=ma;对小车有F=Ma,联立可得a= ,F=mg,只有当mM时,才可认为Fmg。 (2)平衡摩擦力时,先去掉盘、盘中砝码和细线,只让小车在重力沿斜面 方向的分力作用下运动,当小车能匀速运动时,重力沿斜面方向的分力 和摩擦力平衡,A错误;调好后,当再次改变小车质量时,无需再平衡摩擦 mg mM M Mm 力,B正确;实验时,要先接通打点计时器的电源,使打点计时器正常工作, 再释放小车,C错误;小车的加速度是通过处理纸带确定的,D错误。 (3)由甲图可看出F=0时,a0,说明木板的倾角过大,重力沿斜面方向的 分力大于摩擦力。由

30、乙图可看出,只有当F达到一定值时,才会有加速 度,说明平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力。 4.(2018课标,23,9分)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测力计 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,弹簧测力计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)中弹簧测力计的示数读出。 图(a)图(b)图(c) 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f-m图线; (3)f与m、木块质量M、木板与木块之间的动摩擦因数及重力加速度 大小g之间的关系式为f=,f-m图线(直线)的斜率的表达式为k= ; (4)取g=9.80m/s2,由绘出的f-m图线求得=。(保