xx届高考物理验证牛顿运动定律实验复习教案

1 / 19 XX 届高考物理验证牛顿运动定律实验复习教案 本资料为 WoRD 文档，请点击下载地址下载全文下载地址 实验 4 验证牛顿运动定律 牛顿第二定律实验 改 “ 控制变量法 ” 为 “ 补偿法 ” 江苏省特级教师戴儒京 著名的也是最重要的 “ 牛顿第二定律实验 ” ，以课程标准为指导而编写的教科书与以前的教科书比较，把教师演示实验变为学生探索性实验。多年以来，都是教师演示实验，由老师做、老师讲，教科书不把实验的设计展示给学生，而课标教科书则详细写出了实验程序和设计过程。在实验修订本中，关于牛顿第二定律的实验的叙述只用了半页 400 多字，而在课标教科书中，用了单独的一节即第四章第 2 节：实验：探究加速度与力、质量的关系，洋洋洒洒 3 页半，约 2000多字 ,是原来的 5 倍多。 实验修订本中，有下列内容（ 2 项）： 实验装置 实验方法 课标教科书中，有下列内容（ 7 项）： 加速度与力的关系 加速度与质量的关系 2 / 19 制定实验方案时的两个问题 怎样测量或比较物体的加速度 怎样提供和测量物体所受的恒力 参考案例 怎样由实验结果得出结论 通过比较可以知道：实验修订本中的内容只是课标教科书中“ 怎样测量或比较物体的加速度 ” 和 “ 参考案例 ” 两项内容，也就是说：课标教科书比实验修订本增加了实验设计方法的内容：加速度与力的关系和加速度与质量的关系，即控制变量法。以前是老师补充的，现在写在教科书中，使学生不仅知道怎样做实验，还明白为什么这样做实验，即知其然知其所以然。 除文字不同外，插图也不同。实验修订本中，只有一幅图即图 3-5 研究牛顿第二定律的实验装置图（第 50页），而在课标教科书中除实验装置图（第 78 页图 及图）外还有图加速度与质量的关系图（ a-m 图）和图加速度与质量的倒数的关系图（ a-图）（第 76页），为学生作图做了示范。 笔者经过仔细、认真的研究，认为 “ 牛顿第二定律实验 ” 还有改进的空间，且有改进的必要。那就是把 “ 控制变量法 ”改为 “ 补赏法 ” 。 一、 “ 控制变量法 ” 实验 1实验装置 3 / 19 图 1 为俯视图，图 2 为侧视图。 2实验过程 (1)加速度跟力的关系 使用两个相同的小车，满足 m1=m2；在连小车前的绳端分别挂一个钩码和两个钩码（设钩码质量为），使 F1=2F2将二小车拉至同一起点处，记下位置 放手后经一段时间使二小车同时停止，满足时间 t 相同改变 F 重复实验， 读出二小车的位移，填入表 1： 表 1 根据，在相等的情况下，与成正比。从表 1 可得： 比较可得，在误差允许的范围内， aF (2)加速度跟质量的关系 将小车 1 上加砝码，使 m1=2m2；二小车前面绳端都挂一个钩码，使 F1=F2将二小车拉至同一起点处放开经一段时间使其同时停止，读出各小车位移记入表 2： 表 2 3定律导出 4 / 19 （ 1）由上述实验结果，可得出物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，即牛顿第二定 律的基本关系，写成数学表达式为 (2)上式可写为等式 F=kma，式中 k 为比例常数如果公式中的物理量选择合适的单位，就可以使 k=1，则公式更为简单 在国际单位制中，力的单位是牛顿牛顿这个单位就是根据牛顿第二定律来定义的：使质量是 1kg的物体产生 1m/s2的加速度的力为 1N，即 1N=1kgm/s2 可见，如果都用国际单位制中的单位，就可以使 k=1，那么公式则简化为 F=ma，这就是牛顿第二定律的公式 (3)当物体受到几个力的作用时，牛顿第二定律也是正确的，不过这时 F 代表的是物体所受 外力的合力牛顿第二定律更一般的表述是： 物体的加速度跟所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同 公式是： F 合 =ma 二、系统误差分析 1用数字计算法分析误差 在实验中，小车（质量为）受的拉力实际上不等于钩码的重力（），设为，则有 5 / 19 ，解得 从结果可以看出，小车受的拉力实际上小于钩码的重力（），而钩码的重力（）是产生小车和钩码二者的加速度的力，而不是产生小车的加速度的力。 在第（ 1）步中的第 1 次实验中，小车受的拉力，但在实验中认为小车受的拉力等于 钩码的重力，则相对误差为。 在第（ 1）步中的第 2 次实验中，小车受的拉力，但在实验中认为小车受的拉力等于钩码的重力，则相对误差为。 可见，在小车的质量相等的条件下，钩码的质量越小，相对误差越小。 但是，实验中认为第 1 次实验小车受的拉力（两个钩码）是第 2 次实验小车受的拉力（一个钩码）的 2 倍，但实际是不是 2 倍，是倍，相对误差为。 在第（ 2）步中的第 1 次实验中，小车受的拉力，但在实验中认为小车受的拉力等于钩码的重力，则相对误差为。 在第（ 2）步中的第 2 次实验中，小车受的拉力，但在实验中认为小车受的拉力等于 钩码的重力，则相对误差为。 可见，在钩码的质量相等的条件下，小车的质量越大，相对误差越小。 但是，实验中认为两次实验小车受的拉力相等（都是两个钩码），但实际是不相等的，其中第 1 次是，第 2 次是，相对6 / 19 误差为。 2用公式法分析误差 根据公式，得相对误差为，也就是说，小车质量比钩码质量大得越多，相对误差越小，即实验条件是：只有当 时，才能认为小车受力等于钩码的重力。 但无论如何，高达的误差，是不能令人信服的。也就是说，上述实验是不可取的，只能把钩码的质量降到及以下，因为一般认为，所谓在误差 范围内，是指误差在左右或以下。 这样做实验的主要问题还不在误差上，主要问题在：实验给同学造成一个错觉，一个严重的错觉，那就是学生觉得，小车受的拉力等于钩码的重力，这个错觉的来源还在于：初中他们学静止和匀速运动时，小车受的拉力确实等于钩码的重力。这个错觉很难纠正，以至于在很多题中体现出来。 三、实验的改进 把 “ 控制变量法 ” 改为 “ 补偿法 ” 所谓 “ 补赏法 ” ，是这样做实验： 第 1 次，仍然是小车的质量为，钩码的质量为，而第二次改为：把挂着的两个钩码其中的 1 个移到小车上，则小车的质量为，钩码的质量为。这样，小 车受的拉力，原来是，后来变为。这样，（因为），比较接近 2： 1 了。 而小车受力与质量的比值分别为：第 1 次，第 2 次，两次的比值为：，用数字计算则为： =， =，我们可以理直气壮地说，小车的加速度与受力与质量的比值成正比。这样还可以7 / 19 毕其功于一役，不要分 “ 加速度与力的关系 ” 和 “ 加速度与质量的关系 ” 两步做实验了。最重要的还是，不要让学生认为：小车受的拉力等于钩码的重力。 1（ XX年高考江苏卷第 11题）（ 10分）为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学采用了“ 加速度与物体质量、物体受力关系 ” 的实验装置（如图所示）。实验时，平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力。 （ 1）往砝码盘中加入一小砝码，在释放小车 （选填 “ 之前 ” 或 “ 之后 ” ）接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。 （ 2）从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间 t 与速度 v 的数据如下表： 请根据实验数据作出小车的 v-t 图像。 （ 3）通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大，你是否同意他的观点？请根据 v-t 图象简要阐述理由。 【答案】（ 1）之前（ 2）（见右图） 8 / 19 （ 3）同意在 v-t 图象中，速度越大时，加速度越小，小车受到的合力越小，则小车受空气阻力越大。 2（ XX年高考山东卷第 23题）（ 1）某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系。弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线 mN、 PQ，并测出间距。开始时将木板置于 mN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的 示数 F0，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到 PQ 处的时间。 木板的加速度可以用、表示为 ；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是（一种即可） 。 改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度与弹簧秤示数F1的关系。下列图象能表示该同学实验结果的是 。 用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是 。 9 / 19 a可以改变滑动摩擦力的大小 b可以更方便地获 取多组实验数据 c可以比较精确地测出摩擦力的大小 d可以获得更大的加速度以提高实验精度 【解析】（ 1） c 。 Bc 3 XX江苏物理卷第题（分） 如题（ a）图，质量为的滑块放在气垫导轨上，为位移传感器，它能将滑块到传感器的距离数据实时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块的位移时间（ s-t）图象和速率时间（ v-t）图象。整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为了 l、高度为 h。（取重力加速度 g=/s2，结果可保留一位有效数字） （）现给滑块一沿气 垫导轨向上的初速度，的 v-t 图线如题 (b)图所示。从图线可得滑块下滑时的加速度a=m/s2,摩擦力对滑块运动的影响 。（填 “ 明显，不可忽略 ” 或 “ 不明显，可忽略 ” ） （）此装置还可用来验证牛顿第二定律。实验时通过改变 ，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；实验时通过改变 ，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。 （）将气垫导轨换成滑板，滑块换成滑块 ，给滑块 一沿滑板向上的初速度， 的 s-t 图线如题（ c）10 / 19 图。图线不对称是由于 造成的，通过图线可求得滑板的倾角 （用反三角函数表示），滑块与滑板间的动摩擦因数 【答案】（ 1） 6 不明显，可忽略 （ 2）斜面高度 滑块的质量及斜面高度，且使不变 （）滑动摩擦力 （都算对 （都算对） 【解析】（ 1）下滑时，加速度为；上滑时，加速度为摩擦力对滑块 A 运动的影响不明显，可忽略。 （ 2）改变斜面高度 h,则改变斜面的倾角，则改变产生加速度的力（），可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；改 变滑块 A 的质量 m 及斜面的高度 h，且使 mh不变，因为，使 mh 不变，则 F 不变，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。 （）图线不对称是由于滑动摩擦力造成的，因为在滑块上滑时，加速度的大小为，在滑块下滑时，加速度的大小为，在滑动摩擦力不可忽略的情况下，二者不等，图象不对称。从题 13（ b）图中得，又，所以 =。（都对）。从题 13（ c）图中上滑阶段读出，根据得，代入 =，已知，则，解得。 4 XX海南物理卷第 14题 11 / 19 现要验证 “ 当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比 ” 这一物理规律。给定的器材 如下：一倾角可以调节的长斜面（如图）、小车、计时器一个、米尺。 （）填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤（不考虑摩擦力的影响）： 小车自斜面上方一固定点 1从静止开始下滑至斜面底端 2，记下所用的时间 用米尺测量 1 与 2 之间的距离 s，则小车的加速度_。 用米尺测量 1 相对于 2 的高 h。设小车所受重力为 mg，则小车所受的合外力 _。 改变 _，重复上述测量。 以 h 为横坐标，为纵坐标，根据实验数据作表作图。如能得 到一条过原点的直线，则可以验证 “ 当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比 ” 这一规律。 （）在探究如何消除上述实验中摩擦阻力影响的过程中，某同学设计的方案是： 调节斜面倾角，使小车在斜面上匀速下滑。测量此时 1点相对于斜面底端 2 的高度 ho。 进行（ 1）中的各项操作。 计算与作图时用（ h ho）代替 h。 12 / 19 对此方案有以下几种评论意见： .方案正确可行 .方案的理论依据正确，但利用所给的器材无法确定小车在斜面上是否做匀速运动。 .方案的理论依据有问题，小车所受摩擦力与斜 面倾角有关。 其中合理的意见是 _。 【答案】（） 斜面倾角（或填 h 的数值） （） 【解析】要验证 “ 当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比 ” ，即 =，只要以 h 为横坐标，为纵坐标，根据实验数据作表作图，如能得到一条过原点的直线，便可。 5实验装置如图 1 所示；一木块放在水平长木板上，左侧拴有一细软线，跨过固定在木板边缘的滑轮与一重物相连，木块右侧与打点计时器的纸带相连，在重物牵引下，木块在木板上向左运动，重物落地后，木块继续向左做匀减速运动，图 2 给出了重物落地后，打点计时器在纸带上打出的一些点，试根据给出的数据，求木块与木板间的摩擦因数。要求写出主要的运算过程，结果保留 2 位有效数字。（打点计时器所用交流电频率为 50Hz，不计纸带与木块间的拉力。取重力加速度 g 10m/s2） 13 / 19 【答案】由给出的数据可知，重物落地后，木块在连续相等的时间 T 内的位移分别是： 以 a 表示加速度，根据匀变速直线运动的规律，有 重物落地后木块只受摩擦力的作用，以表示木块的质量，根据牛顿定律，有 6江苏省 XX高考题 “ 探究加速度与物体质量、 物体受力的关系 ” 的实验装置如图甲所示 . （ 1）在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸袋如图乙所示。计时器大点的时间间隔为从比较清晰的点起，每 5 个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度 a=_m/s2.（结果保留两位有效数字） （ 2）平衡摩擦力后，将 5 个相同的砝码都放在小车上 .挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度。小车的加速度 a 与砝码盘中砝码总重力 F的实验数据如下表： 砝码盘中砝码总重力 F(N) 加速度 a（ ms-2） 请根据实验数据作出 a-F 的关系图像 . 14 / 19 （ 3）根据提供的试验数据作出的 -F 图线不通过原点，请说明主要原因。 【答案】 11.(1)(也算对 )（ 2）（见右图） （ 3）未计入砝码盘的重力 7（上海 XX 高考题）如图为 “ 用 DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度和力的关系 ” 的实验装置。 （ 1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持 _不变，用钩码所受的重力作为 _，用 DIS 测小车的加速度。 （ 2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量。在某次实验 中根据测得的多组数据可画出 a-F 关系图线（如图所示）。 分 析 此 图 线 的 oA 段 可 得 出 的 实 验 结 论 是_。 （单选题）此图线的 AB 段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（） （ A）小车与轨道之间存在摩擦（ B）导轨保持了水平状态 （ c）所挂钩码的总质量太大（ D）所用小车的质量太大 答案： 17（ 1）小车的总质量，小车所受外力，（ 2） 在质量不变的条件下，加速度与外力成正比， c 8全国 XX高考题 15 / 19 某同学为了探究物体在斜面上的运动 时摩擦力与斜面倾角的关系，设计实验装置如图。长直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物块上。在平板上标出 A、 B 两点， B 点处放置一光电门，用光电计时器记录滑块通过光电门时挡光的时间。 实验步骤如下： 用游标卡尺测量滑块的挡光长度 d，用天平测量滑块的质量 m； 用直尺测量 AB之间的距离 s， A 点到水平桌面的垂直距离h1， B 点到水平桌面的垂直距离 h2； 将滑块从 A 点静止释放，由光电计时器读出滑块的挡光 时间 t1 重复步骤 数次，并求挡光时间的平均值； 利用所测数据求出摩擦力 f 和斜面倾角的余 弦值； 多次改变斜面的倾角，重复实验步骤 ，做出 f-关系曲线。 （ 1）用测量的物理量完成下列各式（重力加速度为 g）： 斜面倾角的余弦 =； 滑块通过光电门时的速度 v=； 滑块运动时的加速度 a=； 滑块运动时所受到的摩擦阻力 f=； （ 2）测量滑块挡光长度的游标卡尺读数如图所示， 16 / 19 读得 d=。 【答案】（ 1） （ 2） 【解析】 (1)物块在斜面上做初速度为零的匀加速直线运动 ,受重力、支持力、滑动摩擦力 ,如图所示 根据三角形关系可得到 , 根据 根据运动学公式 ,有 ,即有 根据牛顿第二定律 ,则有 . (2)在游标卡尺中，主尺上是，在游标尺上恰好是第 1 条刻度线与主尺对齐，再考虑到卡尺是 10 分度，所以读数为+1mm= 或者也对 . 9.（ XX年宁夏第 22. 、题）测量滑块与木板之间的动摩擦因数 物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数实验装置如图，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接打点计时器使用的交流电源的频率为 50Hz开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块 开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点 上图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分： 0、 1、2、 3、 4、 5、 6、 7 是计数点，每相邻两计数点间还有 4 个打17 / 19 点（图中未标出），计数点间的距离如图所示根据图中数据计算的