新课标2018高考物理一轮复习实验验证牛顿第二定律

1、物理课标版第5讲实验：验证牛顿第二定律基础梳理基础梳理实验目的实验目的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。实验原理控制变量法:在所研究的问题中,有两个以上的参量在发生牵连变化时,可以控制某个或某些量不变,只研究其中两个量之间的变化关系的方法。这也是物理学中研究问题时经常采用的方法。本实验中,研究的参量为F、m和a,可以控制参量m不变,研究F与a的关系,也可控制参量F不变,研究m与a的关系。实验器材实验器材打点计时器,纸带及复写纸,小车,一端附有定滑轮的长木板,小盘和砝码,细绳,低压交流电源,导线,天平,刻度尺。实验步骤实验步骤如

2、图所示1.用天平测量小盘的质量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的滑动摩擦力平衡。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的大小等于小车所受的合外力的大小。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做匀加速运动,打出一条纸带。计算小盘

3、和砝码的总重力,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。表(一)实验次数加速度a/(ms-2)小车受力F/N1 2 3 4 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(二)实验次数加速度a/(ms-2)小车和砝码总质量M/kg1 2 3 4 数据处理数据处理1.需要计算各种情况下所对应的小车的加速度,可使用“研究匀变速

4、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=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,横坐标表示牵引力F,描点画a-F图像,如果图像是一条过原点的直线,便证明在质量一定时,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,描点画a-图像,如果图像是一条过原点的直线,就证明了在合外力一定时,加速度与质量成反比。2xT1M1M注意事项注意事项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,并要让

5、小车拖着打点的纸带运动。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制中单位。这样作图线时,坐标点间距

6、不至于过密,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=0.1 s。误差分析误差分析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越小于小车的质量,误差就越小。3.平衡摩擦

7、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。考点一实验原理与操作考点一实验原理与操作典例典例1 (2016山东济南模拟,22)某同学利用“验证牛顿第二定律”的实验器材,测量滑块和长木板之间的动摩擦因数。如图所示,带滑轮的长木板水平放置,力传感器固定在墙上,轻绳分别跨过固定在滑块上和固定在长木板末端的滑轮,一端与力传感器连接,另一端竖直悬挂一沙桶,沙桶距地面足够远。调节两滑轮的位置使轻绳与长木板平行,不计轻绳与各滑轮之间的摩擦。(1)实验时,一定要进行的操作是 (填选项前的字母)。

8、A.将长木板右端垫高以平衡摩擦力B.使沙和沙桶的总质量远小于滑块质量C.将打点计时器接交流电源D.用天平测沙和沙桶的总质量(2)实验时,记录力传感器的示数F,用天平测出滑块质量m,由纸带上的点求出加速度a。根据这些数据,可以得出滑块和木板间的动摩擦因数的表达式= 。(重力加速度为g)答案答案(1)C(2)解析解析(1)由装置图可知,绳中张力可通过力传感器测出,滑块所受拉力等于绳中张力的2倍。不需要使沙和沙桶的总质量远小于滑块质量,也不需要测量沙和沙桶的总质量,选项B、D错误;由于是测量滑块与长木板之间的动摩擦因数,所以不需要将长木板右端垫高以平衡摩擦力,选项A错误;无论是电磁打点计时器还是电火

9、花计时器,都需要接交流电源,选项C正确。(2)对滑块由牛顿第二定律有2F-mg=ma,解得=。2Fmamg2Fmamg某同学利用如图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沙桶,测量沙子和沙桶的总质量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沙桶,改变沙桶中沙子的质量,重复的步骤(1)用游标卡尺测得遮光片宽度d=

10、 cm。(2)关于本实验的说法正确的是 。A.平衡摩擦力时要取下细绳和沙桶B.平衡摩擦力时不需要取下细绳和沙桶C.沙桶和沙子的总质量必须远小于小车的质量D.小车的质量必须远小于沙桶和沙子的总质量(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 真实值。(选填“大于”或“小于”)答案答案(1)0.675(2)B(3)大于解析解析(1)遮光片的宽度d=0.6 cm+150.05 mm=0.675 cm。(2)本实验中,沙桶和沙子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“沙桶和沙子的总质量必须远小于小车的质量”的实验条件;同时

11、平衡摩擦力时不需要取下细绳和沙桶,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平方成正比,所以加速度测量值大于真实值。考点二数据处理和误差分析考点二数据处理和误差分析典例典例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0.010 kg。实验步骤如下: 图(a)(1)将5个钩码全部放入

12、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。n12345a/ms-20.20 0.580.781.00(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

13、质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。 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,重力加速度取g=9.8 ms-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(2分。在0.370.49范围内都给分)(4)如图所示(3分)(5)0.45(3分。在0.430.47范围内都给分)(6)BC(2分。选对一个给1分,有选错的不给这2分)a。(5)对小车和钩码组成的系统应用牛顿

14、第二定律:nmg=(M+Nm)a,则a=,a-n图像的斜率k=,从而可解出M。(6)对于已平衡摩擦力的情况,对整体应用牛顿第二定律: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:nmg-M+(N-n)mg=(M+Nm)a,整理得:a=n-g,比较可见,B、C均正确。nmgMNm0.0980.05nM 0.0980.05M mgMNm(1) mgMNm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1222st(2016河北保定调研,22)某同学为了测定木块与小车之间的动摩擦因数,设计了如下的实验:用弹簧测力计测量带凹槽的木块重力,记

15、为FN1;将力传感器A固定在水平桌面上,测力端通过轻质水平细绳与木块相连。另一水平轻质细绳跨过定滑轮,一端连接小车,另一端系沙桶,不断地缓慢向沙桶里倒入细沙,直到小车运动起来,待传感器示数稳定后,记录此时数据F1;压力FN1FN2FN3FN4FN5FN6FN7FN8FN/N1.502.002.503.003.504.004.505.00传感器数据F1F2F3F4F5F6F7F8F/N0.590.830.991.221.421.611.792.01向凹槽中依次添加重力为0.5 N的砝码,改变木块与小车之间的压力FN,重复操作。数据记录如表:试完成:(1)在实验过程中,是否要求平板小车必须做匀速直

16、线运动? (填“是”或“否”)。(2)为了充分测量数据,该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差,分别计算出了三个差值:f1=F5-F1=0.83 N,f2=F6-F2=0.78 N,f3=F7-F3=0.80 N,请你给出第四个差值:f4= = 。(3)根据以上差值,可以求出每增加0.50 N砝码时摩擦力增加f。f用f1、f2、f3、f4表示的式子为:f= ,代入数扰解得f= N。(4)木块与平板小车间的动摩擦因数= 。(3)0.2(4)0.4解析解析(1)测定木块和平板小车间的动摩擦因数,只需木块与小车间相对滑动,木块与小车间的摩擦力就是滑动摩擦力,所以不需要小车匀速运动。(2)f4=F8-

17、F4=0.79 N。(3)f=0.2 N。(4)根据f=FN,又FN=0.5 N,解得=0.4。123416ffff 312444444ffff123416ffff 答案答案(1)否(2)F8-F40.79 N考点三实验改进与实验创新考点三实验改进与实验创新典例典例3 (2016福建质量检测,12)某同学为探究加速度与合外力的关系,设计了如图甲所示的实验装置。一端带有定滑轮的长木板固定在水平桌面上,用轻绳绕过定滑轮及轻滑轮将小车与弹簧测力计相连。实验中改变悬挂的钩码个数进行多次测量,记录弹簧测力计的示数F,并利用纸带计算出小车对应的加速度a。 图甲(1)实验中的钩码的质量可以不需要远小于小车质

18、量,其原因是 。A.小车所受的拉力与钩码的重力无关B.小车所受的拉力等于钩码重力的一半C.小车所受的拉力可由弹簧测力计直接测出(2)图乙是实验中得到的某条纸带的一部分。已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz,由纸带数据求出小车的加速度a= m/s2。 图乙(3)根据实验数据绘出小车的加速度a与弹簧测力计示数F的关系图像,下列图像中最符合本实验实际情况的是 。答案答案(1)C(2)0.75(3)B解析解析(1)小车所受的拉力可由弹簧测力计直接测出,因此实验中钩码的质量可以不需要远小于小车质量,选项C正确。(2)由x=aT2和逐差法,T=5 s=0.1 s,可得a=10-2 m/s2=0.75 m/s2。(3)由于实验时没有平衡摩擦力,当拉力达到一定值时,小车才会运动,当小车运动起来后,对小车受力分析,水平方向小车受绳的拉力F绳=2F,滑动摩擦力Ff,由牛顿第二定律有:2F-Ff=ma,则a=F-,则知四个图像中符合本实验实际情况的是图像B。15023.35 1.8