【名师点金】高考物理一轮复习 第4讲实验验证牛顿运动定律课件 新人教

第4讲实验:验证牛顿运动定律

知识建构技能建构1.探究加速度与①力、②质量的关系.一、实验目的2.学会运用③控制变量法研究物理规律.知识建构技能建构3.会用④图象处理实验数据.二、实验原理控制变量法:当研究对象与两个或两个以上的参量发生牵连变化时,

我们设法控制某些参量使之不变,而研究其中两个参量之间的变化

关系的方法.这也是物理实验中经常采用的一种方法.本实验的参量有F、m、a三个,研究加速度a与力F及质量m的关系

时,我们先控制F和m中的一个参量不变.知识建构技能建构三、实验器材沙桶(含沙)、纸带及复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、

砝码、夹子、细绳、电磁打点计时器、导线、天平(带有砝码)、刻

度尺.知识建构技能建构1.用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0.四、实验步骤知识建构技能建构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方向的分

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.2.把一端附有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.知识建构技能建构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.知识建构技能建构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/(m·s-2)小车受力F/N1

2

3

4

知识建构技能建构表(二)实验次数加速度a/(m·s-2)小车和砝码的总质量M

/kg1

2

3

知识建构技能建构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=

计算加速度.五、数据处理知识建构技能建构2.需要记记录各组对对应的加速速度a与小车所受受牵引力F,然后建立立直角坐标系,用用纵坐标表表示加速度度a,横坐标表表示作用力力F,描点画a-F图象.如果图象是是一条过原原点的直线线,便证明明加速度与与作用力成成正比.再再记录各组对应应的加速度度a与小车和砝砝码总质量量M,然后建立立直角坐标标系,用纵坐标表表示加速度度a,横坐标表表示总质量量的倒数,描点画a-图象,如果图图象是一条条过原点的的直线,就就证明了加加速度与质质量成反比比.六、误差分分析1.质量的的测量误差差,纸带上上打点间隔隔距离的测测量误差,拉线或纸纸带不与木板平行行等都会造造成误差.知识建构技能建构2.因实验验原理不完完善造成误误差.探究加速度度与质量成成反比,与与力成正比比的实验中中,所采用用的牵引力力由细绳拉力来来提供,而而计算时,采用的是是桶和沙的的总重力,这两者之之间存在着差异.当桶和沙沙通过细绳绳与小车一一起运动时时,由于桶桶和沙也做做匀加速直线运运动,故其其所受合外外力不为零零,mg>F,F为细绳上的的张力,也也是细绳对小小车的拉力力.因此,用这种方方法得到的的结果必然然存在误差差.因此本实验要要求桶和沙沙的总质量量远小于车车和砝码的的质量,从从理论上说说,桶和沙的总总质量与小小车和砝码码的总质量量相比越小小,误差越越小.知识建构技能能建建构构3.平平衡衡摩摩擦擦力力不不准准确确从从而而造造成成误误差差.如果果忘忘记记了了平平衡衡摩摩擦擦力力或或平平衡衡摩摩擦擦力力不不准准确确都都会会造造成成误误差差.七、、注注意意事事项项知识识建建构构技能能建建构构1.一一定定要要做做好好平平衡衡摩摩擦擦力力的的工工作作,也也就就是是调调出出一一个个合合适适的的斜斜面面,使使小小车的的重重力力沿沿着着斜斜面面方方面面的的分分力力正正好好平平衡衡小小车车受受的的摩摩擦擦阻阻力力.在在平平衡衡摩擦擦力力时时,不不要要把把悬悬挂挂小小盘盘的的细细线线系系在在小小车车上上,即即不不要要给给小小车车加加任任何何牵引引力力,并并要要让让小小车车拖拖着着纸纸带带运运动动.2.整整个个实实验验平平衡衡了了摩摩擦擦力力后后,不不管管以以后后是是改改变变小小盘盘和和砝砝码码的的总总质质量量还是是改改变变小小车车和和砝砝码码的的总总质质量量,都都不不需需要要重重新新平平衡衡摩摩擦擦力力.3.每条纸带带必须在满足足小车的质量量远大于小盘盘和砝码的总总质量的条件下打出,只只有如此,小小盘和砝码的的总重力才可可视为小车受受到的拉力.知识建构技能建构5.作图象时时,要使尽可可能多的点在在所作直线上上,不在直线线上的点应尽尽可能对称分布布在所作直线线两侧.4.改变拉力力和小车质量量后,每次开开始时小车应应尽量靠近打打点计时器,并应先接通电电源,再放开开小车,且应应在小车到达达滑轮前按住住小车.知识建构技能建构7.为提高测测量精度,可可采取以下措措施.6.作图时两两坐标轴的标标度比例要选选择适当.各各量须采用国国际单位.这这样作图线时,坐标点间距距不至于过密密,误差会小小些.(1)应舍掉掉纸带上开头头比较密集的的点,在后边边便于测量的的地方找一个个起点.(2)可以把把每打五次点点的时间作为为时间单位,即从开始点点起,每五个个点标出一个计数数点,而相邻邻计数点间的的时间间隔为为T=0.1s.知识建构技能建构例1在探究究加速度与物物体所受合外外力和质量间间的关系时,采用如图甲所示的的实验装置,小车及车中中的砝码质量量用M表示,盘及盘盘中的砝码质量用用m表示,小车的的加速度可由由小车后拖动动的纸带上由由打点计数器打出出的点计算出出:甲一、实验原理理、步骤的考考查知识建构技能建构(1)当M与m的大小关系满满足时,才可以认认为绳子对小小车的拉力大小等于于盘和砝码的的重力.知识建构技能建构(2)一组同同学在做实验验时先保持盘盘及盘中的砝砝码质量一定定,探究加速速度与质量的关关系,以下做做法错误的是()A.平衡摩擦擦力时,应将将盘及盘中的的砝码用细绳绳绕过定滑轮轮系在小车上B.每每次改改变小小车的的质量量时,不需需要重重新平平衡摩摩擦力力C.实实验时时,先先放开开小车车,再再接通通打点点计时时器电电源D.小小车运运动的的加速速度可可用天天平测测出m以及小小车质质量M,直接接用公公式a=求出知识建建构技能建建构(3)在保保持小小车及及车中中的砝砝码质质量M一定,探究究加速速度与与所受受合外外力的关系系时,由于于平衡衡摩擦擦力时时操作作不当当,二二位同同学得得到的的a—F关系,分别如图图乙、、丙所所示(a是小车车的加加速度度.F是细线线作用用于小小车的的拉力力).其原因因分别别是:,.知识建构构技能建构构【规范全解解】(1)验证牛顿顿运动定定律实验验,为了减小小系统误误差,必须满足m≪M,才可以认认为绳子子对小车车的拉力力大小等等于盘和和砝码的的重力.【名师点金金】从实验原原理入手手,对照本实实验的操操作要求求,弄清各图图象的物理意意义,讨论实验验中处理理数据的的方法.知识建构构技能建构构(2)平平衡摩擦擦力时,不能将将盘及盘盘中的砝砝码用细细绳绕过过定滑轮轮系在小小车上,每每次改变变小车的的质量时时,不需需要重新新平衡摩摩擦力,实验时时,先接接通打点计计时器电电源,再再放开小小车,小小车运动动的加速速度应由由打点计计时器打出的纸纸带求出出,选项项A、C、D错错误.知识建构构技能建构构(3)如如图乙所所示,当当外力F为零时,小车就就有加速速度了,是因为为平衡摩摩擦力时,长长木板的的倾角过过大了,丙图中中对应一一段外力力F后才有加加速度,是因为没有有平衡摩摩擦力或或木板的的倾角过过小.【答案】(1)m≪M(2)ACD(3)乙乙图平衡衡摩擦力力时,长长木板的的倾角过过大了丙丙图没没有平衡衡摩擦力力或木板的的倾角过过小知识建构构技能建构构例2““探究加加速度与与物体质质量、物物体受力力的关系系”的实实验装置如图甲甲所示.二、实验验数据的的分析处处理知识建构构技能建构构(1)在在平衡小小车与桌桌面之间间摩擦力力的过程程中,打打出了一一条纸带带如图乙乙所示.计计时器打打点的时时间间隔隔为0.02s.从从比较清清晰的点点起,每每5个点点取一个计数数点,量量出相邻邻计数点点之间的的距离.该小车车的加速速度a=m/s2.(结果果保留两两位有效效数字)甲知识建构构技能建构构乙知识建构构技能建构构(2)平平衡摩擦擦力后,将5个个相同的的砝码都都放在小小车上,挂上砝砝码盘,然后每次从小小车上取取一个砝砝码添加加到砝码码盘中,测量小小车的加加速度.小车的加速度度a与砝码盘盘中砝码码总重力力F的实验数数据如下下表:请根据实实验数据据在图丙丙中作出出a-F的关系图图象.砝码盘中

砝码总重

力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980加速度a(m

·s-2)0.691.181.662.182.70知识建构构技能建构构丙知识建构构技能建构构(3)根根据提供供的实验验数据作作出的a-F图线不通通过原点点,请说说明主要要原因.【名师点金金】由加速度度公式Δx=at2计算,描点连线线,由实验原原理分析析图线不通通过原点点的原因因.知识建构构技能建构构【规范全解解】(1)处理匀变变速直线线运动中中所打出出的纸带带,求解加速速度用公式Δx=at2,关键是弄弄清公式式中各个个量的物物理意义义,Δx为连续相相等时间内的的位移差差,t为连续相相等的时时间间隔隔,如果每5个点取一一个计数数点,则连续两两个计数数点的时时间间隔隔t=0.1s,Δx=(3.68-3.52)×10-2m,代入可得加速速度a=0.16m/s2.也可以使使用最后后一段和和第二段段的位移移差求解,得加速度度a=0.15m/s2.知识建构构技能建构构(2)根根据图中中的数据据,合理理的设计计横纵坐坐标的刻刻度值,使图线线倾斜程程度不能太小小也不能能太大,以与水水平方向向夹角成成45°左右为宜宜.由此此确定F的范围从从0设置置到1N较合合适,而而a则从0到到3m/s2较合适.设好刻刻度,根根据数据确确定各点点的位置置,将各各点用一一条直线线连起来来,延长长交与坐坐标轴上某一点点.如图图丁所示示.知识建构构技能建构构(3)处处理图象象问题要要注意图图线的斜斜率、交交点、拐拐点、面面积等的的意义,能正确理理解这些些量的意意义,则则很多问问题将会会迎刃而而解.与与纵坐标标相交而不过原原点,该该交点说说明当不不挂砝码码时,小小车仍有有加速度度,即绳绳对小车车仍有拉力力,从此此拉力的的来源考考虑很容容易得到到答案,是因为为砝码盘盘的重力,而在(2)问的的图表中只只给出了砝砝码的总重重力,而没没有考虑砝砝码盘的重力.丁知识建构技能建构【答案】(1)0.16(0.15也算对)(2)如图图丁所示(3)未计计入砝码盘盘的重力知识建构技能建构例3如图图甲所示为为“用DIS(位移移传感器、、数据采集集器、计算算机)研究加加速度和力力的关系””的实验装装置.甲三、实验误误差分析知识建构技能建构(1)在该该实验中必必须采用控控制变量法法,应保持持不变,用钩钩码所受的重重力作为,用DIS测小车的的加速度.乙知识建构技能建构(2)改变变所挂钩码码的数量,多次重复复测量.在在某次实验验中根据测测得的多组数据可画画出a-F关系图线(如图乙所所示).①分析此图线线的OA段可得出的的实验结论论是.②此图线的AB段明显偏离离直线,造成此误差差的主要原原因是()A.小车与与轨道之间间存在摩擦擦B.导轨保保持了水平平状态C.所挂钩钩码的总质质量太大D.所用小小车的质量量太大知识建构技能建构【规范全解】(1)因为要探索索“加速度度和力的关关系”所以以应保持小小车的总质量量不变,钩码所受的的重力作为为小车所受受外力;(2)由于OA段a-F关系为一倾倾斜的直线线,所以在质量量不变的条条件下,加速度与外外力成正比;由实验原理理mg=Ma得a==,a'=,而实际上,可见AB段明显偏离直线线是由于没没有满足M≫m造成的.【答案】(1)小车的总质质量小车车所受外力力.(2)①在质量不变变的条件下下,加速度与外外力成正比比②C【名师点金】本实验由于于实验原理理的近似存存在系统误误差知识建构技能建构1.(2011年高高考·重庆庆理综卷)某同学设设计了如图图甲所示的的装置,利利用米尺、秒表表、轻绳、、轻滑轮、、轨道、滑滑块、托盘盘和砝码等等器材来测定滑块和和轨道间的的动摩擦因因数μ.滑块和托托盘上分别别放有若干干砝码,滑块质质量为M,滑块上砝砝码总质量量为m'、托盘和和盘中砝码码的总质量为m.实验中,滑块在水水平轨道上上从A到B做初速为零零的匀加速速直线运动,重力力加速度g取10m/s2.甲知识建构技能建构(2)根据据牛顿运动动定律得到到a与m的关系为:a=m-μg.他想通过多次改变变m,测出相应应的a值,并利用用上式计算算μ.若要求a是m的一次函数,必须使使上式中的保持不变,实实验中应将从从托盘中取出出的砝码置于.(1)为测量量滑块的加速速度a,须测出它在在A、B间运动的与,计算a的运动学公式式是.知识建构技能建构(3)实验得得到a与m的关系如图乙乙所示,由此此可知μ=(取两位有效数字).乙知识建建构技能建建构【解析】(1)a=,故用直直尺测测量位位移,用秒表表测量量时间间;(2)根据加加速度公式式,要求a与m成一次次函数数,则前的的分式式应该该是恒恒值,则要求求m'+m保持不不变,要m'+m保持不不变,把从托托盘中中取出出的砝砝码就就必须须放在在滑块上;(3)先根据据图象象求出出图线线的斜斜率k,则公式式变为为a=km-μg,再在图图象上取取一点点对应应的a与m求出μ.【答案】(1)位移时时间间a=(2)m'+m滑块上上(3)0.23(0.21~0.25)知识建建构技能建建构2.(2011年高高考··山东东理综综卷)某探探究小小组设设计了了“用用一把把尺子子测定定动摩擦因因数””的实实验方方案.如图图所示示,将将一个个小球球和一一个滑滑块用用细绳绳连接,跨跨在在斜斜面面上上端端.开开始始时时小小球球和和滑滑块块均均静静止止,剪剪断断细细绳绳后后,小小球球自自由由下落落,滑滑块块沿沿斜斜面面下下滑滑,可可先先后后听听到到小小球球落落地地和和滑滑块块撞撞击击挡挡板板的的声声音音,保持持小小球球和和滑滑块块释释放放的的位位置置不不变变,调调整整挡挡板板位位置置,重重复复以以上上操操作作,直直到到能同同时时听听到到小小球球落落地地和和滑滑块块撞撞击击挡挡板板的的声声音音.用用刻刻度度尺尺测测出出小小球球下下落的的高高度度H、滑滑块块释释放放点点与与挡挡板板处处的的高高度度差差h和沿沿斜斜面面运运动动的的位位移x.(空空气气阻阻力力对对本本实实验验的的影影响响可可以以忽忽略略)知识识建建构构技能能建建构构(2)滑滑块块与与斜斜面面间间的的动动摩摩擦擦因因数数为为.(1)滑滑块沿斜斜面运动动的加速速度与重重力加速速度的比比值为.知识建构构技能建构构(3)以以下能引引起实验验误差的的是.a.滑块块的质量量b.当地地重力加加速度的的大小c.长度度测量时时的读数数误差d.小球球落地和和滑块撞撞击挡板板不同时时【解析】(1)经过相同同的时间间,滑块沿斜斜面下滑滑的位移移为x,小球自由由下落的高高度为H,则有:at2=x,gt2=H,得滑块沿沿斜面运运动的加加速度与重力加加速度的的比值为为.知识建构构技能建构构(2)根根据上式式,a=g,而mgsinθ-μmgcosθ=ma,联立得得μ=(h-),滑块与斜面间的的动摩擦因数数为(h-).(3)根据μ=(h-)知c能引起起实验误差,动摩擦因数数与物体的质质量无关,滑块块的质量和当当地的重力加加速度不会引引起实验误差差,关系式成立的前提是是滑块与小球球运动的时间间相同,所所以小球落地地和滑块撞击挡板不同时时对结果有影影响.【答案】(1)(2)(h-)(3)cd知识建构技能建构3.(2011年日照模模拟)为“探探究牛顿第二二定律”,某某同学设计了了如下实验方案:A.实验装置置如图甲所示示,一端系在在滑块上的轻轻质细绳通过过转轴光滑的轻质滑轮轮,另一端挂挂一质量m=0.5kg的钩码,用垫块将光光滑长木板有定滑轮轮的一端垫起起,调整长木木板的倾角,直至