2013版高中物理全程复习方略配套课件(鲁科版·福建)：实验四验证牛顿运动定律

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实验四验证牛顿运动定律 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 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，探究加速度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，探究加速度a与小车质量M的关系. 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、薄木块. 一、实验步骤1.用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0.2.按照如图所示装置把实验器材安装好，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块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态，这时小车拖着纸带运动时受到的摩擦力恰好与小车所受重力在斜面方向上的分力平衡.4.把细绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小盘，小盘里放砝码，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点.计算小盘和砝码的重力，在小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下，可以认为等于小车所受的合外力，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.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/N1234 表(二)实验次数加速度a/(m·s-2)小车和砝码的总质量M/kg1234 二、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，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度. 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倾斜直线，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　，描点画a-图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比. 1.因实验原理不完善引起的误差:以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg=(M+m)a;以小车为研究对象得F=Ma;求得:F=·mg＜mg 本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力.小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小.因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差. 2.摩擦力平衡不准确造成误差，在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的均与正式实验一样(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相邻两点间的距离相等.3.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引起误差. 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，并要让小车拖着纸带匀速运动.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.每条纸带都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，且应在小车到达定滑轮前按住小车.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地分布在所作直线两侧.6.作图时两轴标度比例要适当，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，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，则相邻计数点间的时间间隔为T=0.1s. 本实验中可以用气垫导轨来代替长木板,这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦,小车的加速度也可以利用传感器,借助于计算机来处理. 实验原理和实验器材的分析【例证1】(2011·浙江高考)在“探究加速度与力、质量的关系”实验时，已提供了小车、一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线.为了完成实验，还须从图中选取实验器材，其名称是①；并分别写出所选器材的作用②. 【规范解答】为测量小车的加速度，需记录小车运动的位置和时间，这可利用打点计时器和纸带完成.所以，实验中应有打点计时器.实验中需要改变小车的质量，这可通过在小车上添加钩码来实现，所以实验中应有钩码.实验中还需要改变小车所受拉力的大小，这可通过改变盘中的砝码的数目来改变，所以实验中应有砝码. 学生电源为电磁打点计时器提供交流电源；电磁打点计时器(电火花计时器)记录小车运动的位置和时间；钩码用以改变小车的质量；砝码用以改变小车受到的拉力的大小，还可用于测量小车的质量.答案：①学生电源、电磁打点计时器、钩码、砝码(或电火花计时器、钩码、砝码)②见规范解答 实验原理和实验数据的处理【例证2】(2012·南平模拟)某实验小组在实验室做“验证牛顿运动定律”实验：(1)甲同学在物体所受合外力不变时，改变物体的质量，得到数据如表所示. 实验次数物体质量m(kg)物体的加速度a(m·s-2)物体质量的倒数/(1/kg)10.200.785.0020.400.382.5030.600.251.6740.800.201.2551.000.161.00 ①根据表中的数据，在如图所示的坐标中描出相应的实验数据点，并作出a-图象. ②由a-图象，你得出的结论为_______________________.③物体受到的合力大约为______________________________.(结果保留两位有效数字)(2)乙同学在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变对小车的拉力，由实验数据作出的a-F图象如图所示，则该图象中图线不过原点的原因是：____________________，小车的质量为______kg.(保留两位有效数字) 【规范解答】(1)①a-图象如图所示. ②由图象可以看出，当外力不变时，物体的加速度与质量成反比.③由牛顿第二定律F=ma得，a=F·，即图线的斜率等于小车所受的合外力，大小为F=0.16N.(2)由图象可得拉力等于零时，加速度不等于零，故木板倾角过大(或平衡摩擦力太过)；由牛顿第二定律F=ma得，a=F·，即图线的斜率等于小车质量的倒数，小车质量大小为 答案：(1)①见规范解答②在物体受外力不变时，物体的加速度与质量成反比③0.15～0.16N均对(2)木板倾角过大(或平衡摩擦力太过)1.9～2.1均对 1.关于“验证牛顿第二定律”实验中验证“作用力一定时，加速度与质量成反比”的实验过程，以下做法中正确的是()A.平衡摩擦力时，应将装沙的小桶用细绳通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，再接通电源D.可以利用天平测出沙桶和沙的质量m和小车质量M，直接用公式求出加速度 【解析】选B.平衡摩擦力时，使小车的重力沿斜面向下的分力与小车运动所受摩擦力平衡，所以不能将小桶系在小车上，A错误；平衡摩擦力后，小车和板间的动摩擦因数μ＝tanα，与小车的质量无关，所以改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力，B正确；实验时，应先接通电源，待打点稳定后，放开小车，C错误；本实验是探究作用力一定时，加速度与质量成反比，不能直接用公式求加速度，D错误. 2.(2012·舟山模拟)在探究“加速度与力、质量的关系”的实验中：(1)某同学将实验器材组装成如图所示.在接通电源进行实验之前，请你指出该装置中的错误或不妥之处：_______________________________________________________________________. (2)改正实验装置后，该同学顺利地完成了实验.如图是他在实验中得到的一条纸带，图中相邻两计数点之间的时间间隔为0.1s，由图中的数据可算得小车的加速度a为______m/s2.(结果取两位有效数字) 【解析】(1)打点计时器应使用交流电源，而实验中使用的是干电池(直流电源);实验时利用沙桶及沙的重力作为小车所受的合外力，而小车会受到长木板的摩擦力作用，故应该将小车的摩擦力平衡，实验中没有平衡小车的摩擦力;实验时小车应该靠近打点计时器，而实验中小车初始位置离打点计时器太远. (2)由逐差法求解小车的加速度：答案：(1)打点计时器不应使用干电池，应使用交流电源;实验中没有平衡小车的摩擦力;小车的初始位置离打点计时器太远(2)0.19、0.20均正确 3.在探究加速度与力、质量的关系实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车拖动的纸带打上的点计算出. (1)当M与m的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力.(2)一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据.为了比较容易地观测加速度a与质量M的关系，应该做a与________的图象. (3)乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的a-图线如图所示，两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同？ 【解析】(1)只有M与m满足Mm才能使绳对小车的拉力近似等于盘及盘中砝码的重力.(2)由于a∝，所以a-图象应是一条过原点的直线，所以数据处理时，常作出a与的图象.(3)两小车及车上的砝码的总质量相等时，由图象知乙的加速度大，故乙的拉力F大(或乙的盘及盘中砝码的质量大).答案：(1)Mm(2)(3)拉力F 4.若测得某一物体质量m一定时，a与F的有关数据资料如表所示：a/(m·s-2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00 (1)根据表中数据，画出a-F图象. (2)根据图象判定：当m一定时，a与F的关系为_____________.(3)若甲、乙两同学在实验过程中，由于没有按照正确步骤进行实验，处理数据后得出如图所示的a-F图象.试分析甲、乙两同学可能存在的问题：甲：________________________________________________；乙：_________________________________________________. 【解析】(1)若a与F成正比，则图象是一条过原点的直线.同时，因实验中不可避免地出现误差，研究误差产生的原因，从而减小误差，增大实验的准确性，则在误差允许范围内图象是一条过原点的直线即可.连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在直线两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑.描点画图如图所示. (2)由图可知a与F的关系是正比例关系.(3)图中甲在纵轴上有截距，说明绳对小车拉力为零时小车就有加速度a0，可能是平衡摩擦力过度所致.乙在横轴上有截距，可能是实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够.答案：(1)见解析(2)正比例关系(3)平衡摩擦力时木板抬得过高没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 5.(2011·山东高考)某探究小组设计了“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方案.如图所示，将一个小球和一个滑块用细绳连接，跨在斜面上端.开始时小球和滑块均静止，剪断细绳后，小球自由下落，滑块沿斜面下滑，可先后听到小球落地和滑块撞击挡板的声音，保持小球和滑块释放的位置不变，调整挡板位置，重复以上操作，直到能同时听到小球落地和滑块撞击挡板的声音.用刻度尺测出小球下落的高度H、滑块释放点与挡板处的高度差h和沿斜面运动的位移x.(空气阻力对本实验的影响可以忽略) (1)滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为________.(2)滑块与斜面间的动摩擦因数为________________________.(3)以下能引起实验误差的是__________.a.滑块的质量b.当地重力加速度的大小c.长度测量时的读数误差d.小球落地和滑块撞击挡板不同时 【解析】(1)由于小球落地和滑块撞击挡板是同时的，可以得出两个物体运动的时间相同.即滑块：小球：(2)对滑块受力分析可知mgsinθ-μmgcosθ=ma,sinθ=解之可得(3)由上面的表达式可知所测动摩擦因数和H、h、x有关，故选c、d. 答案：(1)(2)(3)c、d 6.某实验小组利用如图甲所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系. (1)由图甲中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x＝24cm，测得遮光条的宽度d＝0.52cm，该实验小组在做实验时，将滑块从图甲所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1＝_____，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2＝_____，则滑块的加速度的表达式a＝_________.(以上表达式均用字母表示)(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验，得到如表所示的实验数据，通过分析表中数据后，你得出的结论是_______________. m(g)a(m·s-2)2502.023001.653501.334001.255001.008000.63 (3)现需通过图象进一步验证你的结论，请利用表格数据，在图乙坐标系中描点作出相应图象. 【解析】(1)由于遮光条的宽度很小，遮光条通过光电门的时间很短，这段时间内的平均速度即为滑块通过光电门的瞬时速度，故滑块由光电门1到光电门2做匀加速直线运动，由(2)在合外力不变的情况下，物体运动的加速度跟物体的质量成反比，当合外力一定时，在误差允许的范围内，物体质量和加速度的乘积近似相等. (3)如图所示 答案：(1)(2)、(3)见解析