2019版高考物理一轮复习第三章牛顿运动定律第讲实验：验证牛顿运动定律学案.doc

第4讲实验：验证牛顿运动定律微知识1 实验目的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。微知识2 实验原理探究加速度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，即先控制一个参量如小车的质量m不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制小桶和砂的质量不变，即力F不变，改变小车质量m，讨论加速度a与质量m的关系。微知识3 实验器材打点计时器，纸带，复写纸，小车，一端附有定滑轮的长木板，小桶，砂，夹子，细绳，低压交流电源，导线，天平(带有一套砝码)，刻度尺。微知识4 实验步骤及数据1用天平测出小车和砝码的总质量M，把数值记录下来。2按图所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小桶的细绳系在车上，即不给小车加牵引力。3平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫一块木板。反复移动木板的位置，直至小车在斜面上可以保持匀速直线运动状态。这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力沿斜面向下的分力平衡。4把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，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，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码。5保持小车和砝码的质量不变，在小桶里放入适量的砂，使小桶和砂的总质量远小于小车和砝码的总质量，把小桶和砂的总质量m记录下来，重复步骤4。在小桶内再放入适量砂，记录下小桶和砂的总质量m，再重复步骤4。6重复步骤5三次，得到三条纸带。7在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值。8用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，作用力的大小F等于小桶和砂的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比。9保持砂和小桶的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点。如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比。微知识5 注意事项1实验中一定要平衡摩擦力以减小实验误差。2在实验中一定要注意使砂和小砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量。3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，且在小车到达定滑轮前按住小车。4各纸带的加速度，都应是该纸带的平均加速度。5作图象时，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的两侧。微知识6 误差分析1因实验原理不完善引起误差。以小车、小桶和砂整体为研究对象得mg(Mm)a；以小车为研究对象得FMa；求得Fmgmgmg。本实验用小桶和砂的总重力mg代替小车受的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小桶和砂的总重力。小桶和砂的总质量比小车的质量小的越多，由此引起的误差就越小。因此，满足小桶和砂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，除了不挂小桶外，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实验误差。一、思维辨析(判断正误，正确的画“”，错误的画“”。)1平衡摩擦力时要挂上小桶，但桶内不能装砂。()2用图象法处理数据时，若质量一定时，画出aF图象；若合外力一定时，画出a图象。()3当以小桶和砂的重力替代小车的合外力时，必须保证小桶和砂的质量远小于小车的质量。()二、对点微练1(实验原理和操作)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，以下做法正确的是()A平衡摩擦力时，应将装砂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可以利用天平测出砂桶和砂质量m和小车质量M，直接用公式a求出加速度解析平衡摩擦力时，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项错误；平衡摩擦力后，小车和板间的动摩擦因数tan，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项正确；实验时，应先接通电源，待打点稳定后，再放开小车，C项错误；本实验是验证作用力一定时，加速度与质量成反比，不能直接用公式a求加速度，D项错误。答案B2(数据处理)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，测得的加速度a和F的关系数据记录如表一，测得的加速度a和的关系数据记录如表二。表一a/(ms2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00表二a/(ms2)2.042.663.233.98/kg10.500.670.801.00(1)在下图的坐标纸中，由表一、表二数据用描点法作出aF图象、a图象。(2)由图象可得加速度与力是什么关系？加速度与质量是什么关系？(3)表一中物体的质量M为多少？表二中产生加速度的力为多大？解析本题主要考查用图象法处理实验数据的能力。(1)建立坐标系，确定标度，描点画图线，得出aF图象和a图象分别如图甲、乙所示。(2)由图象可知加速度与力成正比关系，由图象可知加速度与质量成反比关系。(3)M kg0.50 kg，F N4.02 N。答案(1)如解析图甲、乙(2)正比关系反比关系(3)0.50 kg4.02 N见学生用书P048微考点1实验原理、数据处理和误差分析核|心|微|讲 “验证牛顿运动定律”实验得到的理想aF图象应是一条过原点的直线，但由于实验误差影响，常出现如图所示的三种情况(说明见下表)。图线特征产生原因图线的上部弯曲当小车受力F较大时，不满足“砂桶和砂的总质量远小于小车和砝码的总质量”的条件图线与a轴有截距平衡摩擦力时长木板的倾角过大，F0(即不挂砂桶)时木块就具有了加速度图线与F轴有截距平衡摩擦力时长木板的倾角过小，或未平衡摩擦力。只有当F增加到一定值，小车才获得加速度典|例|微|探【例1】用如图甲所示装置做“探究物体的加速度与力的关系”的实验。实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度。(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫块的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_。(2)图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离，如图所示。已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a_m/s2。(结果保留两位有效数字)(3)实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出aF关系图象，如图丙所示。此图象的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是_。(填选项字母)A小车与平面轨道之间存在摩擦B平面轨道倾斜角度过大C所挂钩码的总质量过大D所用小车的质量过大【解题导思】(1)在验证质量一定时，小车的加速度与合外力成正比的实验中如何得到小车受到的合外力和加速度？答：以钩码的重力表示小车受到的合外力，由打点的纸带求得小车的加速度。(2)当钩码的质量不能满足远小于小车的质量时，钩码的重力还能表示小车受到的合外力吗？答：不能，此时加速度较大，钩码的重力比绳的拉力大得较多。 解析(1)使平面轨道的右端垫起，让小车重力沿斜面方向的分力与它受到的摩擦阻力平衡，才能认为在实验中小车受的合外力就是钩码的重力，所以这样做的目的是平衡小车运动中所受的摩擦阻力。(2)由逐差法可知a m/s21.0 m/s2。(3)在实验中认为细绳的张力F就是钩码的重力mg，实际上，细绳张力FMa，mgFma，即Fmg，amgF，所以当细绳的张力F变大时，m必定变大，必定减小。当Mm时，aF图象为直线，当不满足Mm时，便有aF图象的斜率逐渐变小，选项C正确。答案(1)平衡小车运动中所受的摩擦阻力(2)1.0(3)C题|组|微|练1.在“验证牛顿运动定律”的实验中，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后拖动的纸带上打的点计算出。(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。为了比较容易地得到加速度a与质量M的关系，应该作a与_的图象。(3)如图所示为甲同学根据测量数据作出的aF图象，此图象说明实验存在的问题是_。(4)乙、丙两同学用同一装置做实验，画出了各自得到的aF图象如图所示，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时，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)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。(4)小车及车上的砝码的总质量不同时，aF图象的斜率也就不同。答案(1)Mm(2)(3)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够(4)小车及车上砝码的总质量2某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)(多选)下列做法正确的是_。(填选项字母)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_(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，各取一套如图所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。(均填“大于”“小于”或“等于”)解析(1)实验中细绳要与长木板保持平行，A项正确；平衡摩擦力时不能将装有砝码的砝码桶通过细绳绕过滑轮拴在木块上，这样无法平衡摩擦力，B项错误；实验时应先接通打点计时器的电源再放开木块，C项错误；平衡摩擦力后，通过增减木块上的砝码改变质量时不需要重新平衡摩擦力，D项正确。(2)由整体法和隔离法得到绳的拉力FMaM，可见当砝码桶和桶内砝码的质量m远小于木块和木块上砝码的质量M时，FMaMmg。(3)没有平衡摩擦力，则Fmgma，得ag，图象的斜率大的质量小，纵轴截距绝对值大的动摩擦因数大，因此m甲乙。答案(1)AD(2)远小于(3)小于大于微考点2实验的迁移、拓展和创新核|心|微|讲本实验中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡摩擦力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器来测量，借助于计算机来处理。典|例|微|探【例2】某物理课外小组利用图甲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N5个，每个质量均为0.010 kg。实验步骤如下：(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n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余Nn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间t相对于其起始位置的位移s，绘制st图象，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。n2时的st图象如图乙所示；由图乙求出此时小车的加速度(保留两位有效数字)，将结果填入下表。n12345a/(ms2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点，并作出an图象。从图象可以看出：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。(5)利用an图象求得小车(空载)的质量为_ kg。(保留两位有效数字，重力加速度g取9.8 ms2)(6)(多选)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是_。(填选项字母)Aan图线不再是直线Ban图线仍是直线，但该直线不过原点Can图线仍是直线，但该直线的斜率变大【解题导思】此实验与教材中实验对比，研究对象一样吗？答：不一样，教材实验中研究对象是小车，此实验中的研究对象是小车和钩码(包括悬挂的钩码)。 解析(3)实验中小车做匀加速直线运动，由于小车初速度为零，结合匀变速直线运动规律有sat2，结合图乙得加速度a0.39 m/s2。(5)由(4)知，当物体质量一定，加速度与合外力成正比，得加速度a与n成正比，即an图象为过原点的直线。an图线的斜率k0.196 m/s2，平衡摩擦力后，下端所挂钩码的总重力提供小车的加速度，nm0g(MNm0)a，解得an，则k，可得M0.45 kg。(6)若未平衡摩擦力，则下端所挂钩码的总重力与小车所受摩擦力的合力提供小车的加速度，即nm0gM(Nn)m0g(MNm0)a，解得ang，可见图线截距不为零，其图线仍是直线，图线斜率相对平衡摩擦力时有所变大，B、C项正确。答案(3)0.39(0.370.40均可)(4)an图线如图(5)0.45(0.430.47均可)(6)BC题|组|微|练3某实验小组利用如图甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系。(1)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(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1、t2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x，用游标卡尺测得遮光条宽度d。则滑块经过光电门1时的速度表达式v1_；经过光电门2时的速度表达式v2_，滑块加速度的表达式a_。(以上表达式均用已知字母表示)。如图乙所示，若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，其读数为_ mm。甲乙(2)(多选)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h(见图甲)。关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端的高度h”的正确操作方法是_。(填选项字母)AM增大时，h增大，以保持二者乘积增大BM增大时，h减小，以保持二者乘积不变CM减小时，h增大，以保持二者乘积不变DM减小时，h减小，以保持二者乘积减小解析(1)根据极限思想，物体在极短时间内的平均速度近似等于瞬时速度，可求得v1，v2，根据运动学公式vv2ax可求得a；游标卡尺主尺上读出8 mm，游标上第3刻度线与主尺对齐，30.05 mm，游标卡尺读数为8 mm30.05 mm8.15 mm。(2)FMgsinMg，要保持滑块所受的合力不变，M增大时，h必须减小；M减小时，h必须增大，以保持二者乘积不变。故选项B、C正确。答案(1)8.15(2)BC4某实验小组设计了“探究加速度与合外力关系”的实验，实验装置如图所示。已知小车的质量为500克，g取10 m/s2，不计绳与滑轮间的摩擦。实验步骤如下：细绳一端系在小车上，另一端绕过定滑轮后挂一个小砝码盘在盘中放入质量为m的砝码，用活动支柱将木板固定有定滑轮的一端垫高，调整木板倾角，恰好使小车沿木板匀速下滑保持木板倾角不变，取下砝码盘，将纸带与小车相连，并穿过打点计时器的限位孔，接通打点计时器电源后，释放小车取下纸带后，计算小车加速度a；将砝码的质量m和对应的小车加速度a记入下表改变盘中砝码的质量，重复步骤进行实验实验次数1234567m/kg0.020.040.050.060.070.080.10a/(ms2)1.401.792.012.202.382.613.02(1)在坐标纸上作出amg图象，如图所示，该图象中直线不过坐标原点的原因是_。(2)根据上述图象能求解的物理量是_，其大小为_。(3)你认为本次实验中小车的质量_(填“是”或“否”)需要远远大于砝码的质量。解析(1)由图象可知，amg图象与纵轴相交，当盘中砝码质量为零时，小车已经具有加速度，说明此时小车所受合力不为零，这是因为求小车所受合力时，没有考虑砝码盘质量造成的。(2)由amg图象可知，砝码重力为零时，小车加速度a1 m/s2，由此可知，砝码盘的重力GMa0.5 N，砝码盘质量m0.05 kg。(3)砝码质量为m，设斜面倾角为，小车质量为M，小车匀速下滑，处于平衡状态，由平衡条件得Mgsinmgf，当取下砝码盘后，小车重力沿斜面向下的分力Mgsin和摩擦力f不变，因此小车所受合外力为mg，由此可知，小车所受合外力是一恒定值，与车的质量和砝码质量无关，实验不需要控制小车的质量远大于砝码的质量。答案(1)没有考虑砝码盘的质量(2)砝码盘的质量0.05 kg(3)否见学生用书P0511某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打出纸带的一部分如图乙所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。(2)已测得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当地重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为_ Hz。解析(1)利用做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，可得打点计时器打出B点时重物下落的速度vB；打出C点时重物下落的速度vC。根据加速度的定义，重物下落的加速度大小为a(vCvB)f。(2)根据题述，重物下落受到的阻力为0.01mg，由牛顿第二定律得，mg0.01mgma，解得a0.99g。由0.99g，解得f40 Hz。答案(1)(2)402某同学设计了如图所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数，滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m，托盘和盘中砝码的总质量为m。实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速度为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10 m/s2。(1)为测量滑块的加速度a，需测出它在A、B间运动的_和_，计算a的运动学公式是_。(2)根据牛顿运动定律得到a与m的关系为amg。他想通过多次改变m，测出相应的a值，并利用上式来计算。若要求a是m的一次函数，必须使上式中的_保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于_。解析(1)由xat2可知，a，故要测量滑块的加速度a，需要测出它在A、B间运动的位移x和时间t。(2)要使a是m的一次函数，则应保持不变，故在多次改变m时，应使(mm)保持不变，即实验中应将从托盘中取出的砝码置于滑块上。答案(1)位移x时间ta(2)mm滑块上3某实验小组为探究加速度与力之间的关系设计了如图甲所示的实验装置，用钩码所受重力作为小车所受的拉力，用DIS(数字化信息系统)测小车的加速度。通过改变钩码的数量，多次重复测量，可得小车运动的加速度a和所受拉力的关系图象。他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条aF图线，如图乙所示。(1)图线_(填“”或“”)是在轨道水平的情况