2020版高考物理一轮复习第3章实验4验证牛顿运动定律教学案新人教版

实验四考证牛顿运动定律1．实验目的学会用控制变量法研究物理规律。研究加快度与力、质量的关系。掌握运用图象办理问题的方法。2．实验原理用控制变量法研究加快度a与力F、质量M的关系，能够先保持F不变，研究a和M的关系，再保持M不变，研究a和F的关系。3．实验器械带定滑轮的长木板、低压沟通电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线。4．实验步骤(1)用天平测出小车的质量M，小盘和砝码的总质量m。按图把实验器械安装好，先不要把悬挂小盘的细绳系在车上。在木板的一端下边垫一木块，挪动木块的地点，直至小车拖着纸带在斜面上做匀速运动。小环绕过滑轮系于小车上，先接通电源后松开小车，打完点后切断电源，取下纸带。(5)保持小车的质量不变，改变砝码和小盘的质量，重复步骤(4)五次。Mm(6)在每条纸带上选用一段比较理想的部分，测加快度a。作a-F的图象，若图象为一过原点的直线，证明加快度与力成正比。(8)保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量M，重复步骤(4)和(6)，作a-1图象，M若图象为一过原点的直线，证明加快度与质量成反比。5．注意事项安装器械时，要调整滑轮的高度，使拴小车的细绳与木板平行。均衡摩擦力时，小车连着穿过打点计时器的纸带，但不要把悬挂小盘的细线系在小车上。改变砝码的质量后，不需要从头均衡摩擦力。只有小车的质量远大于小盘和砝码的总质量，小盘和砝码的总重力才可视为小车遇到的拉力。开始时小车应尽量凑近打点计时器，并应先接通电源，再松开小车，在小车抵达滑轮前按住小车。考点一|实验原理与操作本实验的难点是丈量小车的协力，实验经过两个“代替”关系丈量小车的协力，使小车协力的丈量转变为对悬挂物重力的丈量。1．均衡摩擦力——用小车所受的拉力代替协力小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，均衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的协力为零，则小车所受的拉力等于小车的协力。2．小车质量(M)远大于悬挂物质量(m)——用悬挂物重力代替小车所受的拉力mF＝Ma＝Mmg＝1由牛顿第二定律：系统加快度a＝＋g，小车所受的拉力＋mg，明显，MmMmm1＋M当M?m时F≈mg。[考点对练]1．在“考证牛顿运动定律”实验中，采纳以下图的装置图进行实验。对小车进行“均衡摩擦力”操作时，以下一定进行的是________(填字母序号)。A．取下沙和沙桶B．在空沙桶的牵引下，轻推一下小车，小车能做匀速直线运动C．小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时，打点计时器的电源应断开D．把长木板没有定滑轮的一端垫起适合高度(2)实验中，已经测出小车的质量为M，沙和沙桶的总质量为

m，若要将沙和沙桶的总重力大小作为小车所受拉力F的大小，这样做的前提条件是________________________________________。在实验操作中，以下说法正确的选项是________。A．求小车运动的加快度时，可用天平测出沙和沙桶的质量M′和m′，以及小车质量M，直接用公式a＝M′＋m′g求出MB．实验时，应先接通打点计时器的电源，再松开小车C．每改变一次小车的质量，都需要改变垫入的小木块的厚度D．先保持小车质量不变，研究加快度与力的关系；再保持小车受力不变，研究加快度与质量的关系，最后概括出加快度与力、质量的关系分析：(1)均衡摩擦力时使小车所受重力沿木板方向分力与小车所受摩擦力均衡，故A、D项正确，B项错误；为确立小车能否为匀速运动，需要经过纸带上点迹能否均匀来判断，故C项错误。(2)依据牛顿第二定律得，mg＝(M＋m)a，mg解得a＝＋，Mm则绳索的拉力＝＝Mmgmg＝，FMaM＋mm1＋M可知当沙和沙桶的总质量远小于小车质量时，小车所受的拉力等于沙和沙桶的总重力，所以应知足的条件是沙和沙桶的总质量远小于小车的质量。本实验是“考证牛顿运动定律”，所以不可以把牛顿第二定律当作已知的公式来使用，故A错误；使用打点计时器时，应当先接通电源，后开释纸带，故

B正确；均衡摩擦力后有μ＝tan

θ，小车质量改变时，总知足

mgsin

θ＝μmgcos

θ，与小车质量没关，所以不用再次均衡摩擦力，故

C错误；本实验采纳控制变量法，故

D正确。答案：(1)AD

(2)沙和沙桶的总质量远小于小车的质量

(3)BD2．(2019·天津检测)小王同学在研究加快度与力、质量的关系时，小车及砝码的质量用M表示，沙桶及沙的质量用m表示，小车的加快度可由小车后拖动的纸带计算出。(1)往沙桶中加入必定量的沙子，当

M与m的大小关系知足

________时，可近似以为绳对小车的拉力大小等于沙桶和沙的重力；在开释小车

________(

选填“以前”或“以后”

)接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。在均衡摩擦力后，他用打点计时器打出的纸带的一段以下图，该纸带上相邻两个计数点间还有

4个点未标出，打点计时器使用沟通电的频次是

50Hz，则小车的加快度大小是________m/s2，当打点计时器打

B点时小车的速度是

________m/s。(结果保存

3位有效数字

)(3)小张同学用同一装置做实验，他们俩在同一坐标系中画出的a-F关系图线以下图，小张和小王同学做实验，哪一个物理量是不一样的_____________________________________________________________。分析：(1)小车实质的加快度为＝mg，绳索拉力为＝＝mg，所以只有当?时，aM＋mFMammM1＋M拉力F才近似等于；实验中应先接通电源再开释小车。mgx－xOB2BD(2)a＝2＝0.390m/s，4TxACvB＝2T≈0.377m/s。图线的斜率为小车及砝码的总质量的倒数，所以小车及砝码的总质量不一样。答案：(1)m?M以前(2)0.3900.377(3)小车及砝码的总质量考点二|数据办理与偏差剖析本实验的有时偏差主要由质量的丈量、计数点间距丈量惹起，可经过多次丈量取均匀值减小偏差。本实验的系统偏差主要由两个要素产生，剖析以下：均衡摩擦力禁止造成的偏差图线a-F不经过原点，分两种状况：①当均衡摩擦力不够时，F≠0，a＝0。②当均衡摩擦力过分时，F＝0，a≠0。因为不知足M?m惹起的偏差1图线a-F和a-都向下曲折，剖析：M①在a-F图象中，依据a＝11mg，M必定，当知足M?m时，图线斜率视为不变，图线M＋mM为直线。不知足M?m时，跟着m增大，图线斜率减小，图线向下曲折。1a＝11②在a-图象中，依据mg＝mg·，m必定，当知足M?m时，图线斜率视为mgMM＋mmM1＋M不变，图线为直线。不知足M?m时，跟着M减小，图线斜率减小，图线向下曲折。[考点对练]1．(2019·宁德质检)某次“研究加快度a跟物体所受协力F和质量m的关系”实验过程是：甲乙(1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验获取的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间2的时间间隔为0.1s，依据纸带可求出小车的加快度大小为______m/s(结果保存2位有效数字)。保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，进行多次丈量。依据实验数据做出了加快度随拉力F的变化图线，以下图。图中直线没有经过原点，其主要原由是_____________________________________________________________________________________________________________。(3)保持沙和沙桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次丈量，获取小车加快度a、1质量m及其对应的的数据如表中所示：m实验次数12345678小车加快度1.901.721.491.251.000.750.500.30－2)a/(m·s小车和砝码质量0.250.290.330.400.500.711.001.67m/kg1/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60ma.请在座标纸中画出-1图线：amb．依据作出的-1图象能够获取的结论是__________________am___________________________________________________________________________________________________________。分析：(1)由图中数据可知x＝2.40cm，x＝4.10cm，ACCECEAC－－2利用公式2x－x222x＝aT可知，a＝T＝4×0.01m/s＝0.43m/s。见答案见答案答案：(1)0.43(2)实验前未均衡摩擦力(或均衡摩擦力不充分)(3)a.以下图b．图线为过原点的直线，表示在合外力一准时，加快度跟质量成反比2．如图为某同学做“研究加快度与力、质量的关系”的实验装置表示图，一端带有定滑轮的木板直接放在水平桌面上，细线与长木板平行。在研究小车(含砝码)质量不变，加快度和作使劲的关系时，他先后五次改变沙和沙桶的总质量，测出相应的加快度a。在第一次丈量时，沙和沙桶的总质量为m1、车质量M＝20m1，此后每次在沙桶里增添质量为m的沙子，已m1知m＝2。(1)若把沙和沙桶的总重力作为小车所受协力F的大小，按这五组数据画出的a-F图象可能是图中的________。ABCD(2)第(1)题图象中图线可是坐标原点的原由是________，若对此采纳了纠正，该实验还存在一个较大的系统偏差，是由沙和沙桶的总重力不等于小车遇到的拉力惹起的。设沙和沙|F－F|桶的总重力为F测，小车真实遇到的拉力为测真F真。若定义×100%为拉力丈量的百分误F真差，现要求百分偏差不大于5%，则当小车的总质量为200g时，沙和沙桶的总质量最大不可以超出________g。分析：(1)设小车与木板之间的动摩擦因数为μ，由牛顿第二定律可得F－μMg＝Ma，解F得a＝－μg，A、B两项错误。若F较大时，不知足M?m，此时应用牛顿第二定律求解加快M度时，绳索的拉力F不行近似以为等于沙和沙桶的重力，而是小于沙和沙桶的重力，故加快mg度值与a＝M－μg对比减小，C项正确，D项错误。(2)因为未均衡摩擦力，故致使沙与沙桶重力较小时，小车未加快运动，a-F图象上表现为可是原点，与横轴有必定截距；由题意可知F测＝mg，设整体的加快度为a，因为摩擦力已被均衡，故绳的拉力为F真，由牛顿第二定律可得MmgF真＝Ma，mg－F真＝ma，解得F真＝＋，Mm|－Mmg|由题意可知百分偏差测－真mgM＋m＝200g，解|FF|×100%＝×100%≤5%，代入质量FMmgM真＋Mm得m≤10g。答案：(1)C(2)没有均衡小车所受的摩擦力10考点三|实验拓展与创新近几年高考对本实验的考察，一般运用牛顿运动定律进行某一研究实验、利用先进系统收集数据等，经过改变实验条件、实验仪器或巧用物理规律进行新的研究活动。命题趋向有以下几个方面：实验器材的替换用气垫导轨代替长木板，将气垫导轨调成水平，不需要均衡摩擦力常有(1)合外力的丈量创新由力传感器直接丈量视角数据测(2)加快度的获取量的改2进①测定经过的时间，由1dd2a＝2t2－t1求出加快度x②小车的加快度由位移传感器及与之相连的计算机获取实验目以“考证牛顿运动定律”为背景丈量物块与木板间的动摩擦因数的创新[考点对练]1．(2019·临沭模拟)为了研究加快度与力的关系，使用以下图的气垫导轨装置进行实验。此中

G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器经过

G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间

t1、

t2都能够被丈量并记录。滑行器连同上边固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为

D，光电门间距离为

s，牵引砝码的质量为

m。回答以下问题：实验开始应先调理气垫导轨下边的螺钉，负气垫导轨水平，在不增添其余仪器的状况下，怎样判断调理能否到位？答：_____________________。若取M＝0.4kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不适合的一个是________。A．m1＝5g

B．m2＝15gC．m3＝40g

D．m4＝400g在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加快度，此中求得的加快度的表达式为________________(用t1、t2、D、s表示)。分析：(1)气垫导轨能够以为是圆滑的，在判断其能否水平常能够采纳的方法是接通气源，将滑行器静置于气垫导轨上，滑行器基本保持静止说明导轨是圆滑的，或接通气源，将滑行器静置于气垫导轨上，轻推滑行器，滑行器能基本做匀速直线运动。在该实验中实质是mg＝(M＋m)a，要知足mg＝Ma，应当使砝码的总质量远小于滑行器的质量。若取

M＝0.4kg

，改变

m的值，进行多次实验，

m4＝400g

不可以知足，应选

D。依据挡光片经过光电门的速度能够用均匀速度取代得D经过第一个光电门的速度v1＝t1经过第二个光电门的速度2Dv＝t2依据运动学公式22211v2－v1D2－则加快度为a＝2＝2tt2。21ssD2答案：(1)将滑行器自由放在导轨上，并轻推滑行器，看其可否做匀速运动(2)D(3)2s12－12t2t12.(2016·全国卷Ⅲ)某物理课外小组利用图(a)中的装置研究物体加快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搁置，其右端固定一轻滑轮；轻绳越过滑轮，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。实验步骤以下：(a)(1)将

5个钩码所有放入小车中，在长木板左下方垫上适合厚度的小物块，使小车

(和钩码)能够在木板上匀速下滑。(2)将

n(挨次取

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。开释小车，同时用传感器记录小车在时刻

t

相关于其起始地点的位移

s，绘制

s-t

图象，经数据办理后可获取相应的加快度

a。对应于不一样的n的a值见下表。n＝2时的s-t图象如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加快度(结果保存2位有效数字)，将结果填入下表。n12345/(m·s－2)0.200.580.781.00a(b)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点，并作出a-n图象。从图象能够看出：当物体质量一准时，物体的加快度与其所受的合外力成正比。(c)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为________kg(结果保存2位有效数字，重力加快度取g＝9.8m·s－2)。若以“保持木板水平”来取代步骤(1)，以下说法正确的选项是________(填入正确选项前的标号)。A．a-n图线不再是直线B．a-n图线还是直线，但该直线可是原点C．a-n图线还是直线，但该直线的斜率变大分析：(3)依据题图(b)可知，当t＝2.00s时，位移s＝0.78m，由s＝12，得加快度2at2s2a＝t2＝0.39m/s。图象以下图。小车空载时，n＝5，加快度为a＝1.00m/s2。由牛顿第二定律得nm0g＝(m＋nm0)a，代入数据得m＝0.44kg。(6)均衡摩擦力时，以小车和钩码整体为研究对象有：nm0g＝(m＋5m0)a，则a＝0n，mgm＋5m0m0g即a-n图象的斜率为＋50。若保持木板水平，则小车将遇到木板的摩擦力，有nm0g－μ[mgmm(5－n)m0g]＝(m＋5m0)a，＝nm0g－μ[mg＋0＋μm0g－μ。a－nmg]＝m＋5m0nm＋5m0m＋5m0g说明-图象仍为直线，但不再过原点，且斜率变大。应选B、C。an答案：(3)0.39(4)看法析(5)0.44(6)BC3．(2015·全国卷Ⅱ)某同学用图(a)所示的实验装置丈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次为50Hz，物块下滑过程中所获取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。(a)(b)物块下滑时的加快度a＝________m/s2，打C点时物块的速度v＝________m/s。已知重力加快度大小为g，为求出动摩擦因数，还一定丈量的物理量是________(填正确答案标号)。A．物块的质量B．斜面的高度C．斜面的倾角分析：(1)物块沿斜面下滑做匀加快运动，依据纸带可得连续两段距离之差为0.13cm，x0.13×10－222C点速度v＝xBD＋－2由a＝2得a＝2m/s＝3.25m/s，此中＝2×0.02TtBDm/s≈1.79m/s。(2)对物块进行受力剖析如图，则物块所受合外力为F合＝sinθ－μcosθ，即amgmggsinθ－a＝gsi