福建省长泰一中高三物理 第三章 实验四 验证牛顿运动定律复习课件 新人教版必修1.ppt

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 表 二 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 热点一实验原理和实验器材的分析 例证1 2012 安徽高考 图甲为 验证牛顿第二定律 的实验装置示意图 砂和砂桶的总质量为m 小车和砝码的总质量为m 实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小 1 实验中 为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力 先调节长木板一端滑轮的高度 使细线与长木板平行 接下来还需要进行的一项操作是 a 将长木板水平放置 让小车连着已经穿过打点计时器的纸带 给打点计时器通电 调节m的大小 使小车在砂和砂桶的牵引下运动 从打出的纸带判断小车是否做匀速运动b 将长木板的一端垫起适当的高度 让小车连着已经穿过打点计时器的纸带 撤去砂和砂桶 给打点计时器通电 轻推小车 从打出的纸带判断小车是否做匀速运动c 将长木板的一端垫起适当的高度 撤去纸带以及砂和砂桶 轻推小车 观察判断小车是否做匀速运动 2 实验中要进行质量m和m的选取 以下最合理的一组是 a m 200g m 10g 15g 20g 25g 30g 40gb m 200g m 20g 40g 60g 80g 100g 120gc m 400g m 10g 15g 20g 25g 30g 40gd m 400g m 20g 40g 60g 80g 100g 120g 3 图乙是实验中得到的一条纸带 a b c d e f g为7个相邻的计数点 相邻的两个计数点之间还有四个点未画出 量出相邻的计数点之间的距离分别为 sab 4 22cm sbc 4 65cm scd 5 08cm sde 5 49cm sef 5 91cm sfg 6 34cm 已知打点计时器的工作频率为50hz 则小车的加速度a m s2 结果保留2位有效数字 解题指南 解答本题时要注意以下两点 1 实验中应注意分析误差来源及减小误差的方法 2 利用纸带求加速度时应用位移逐差法 规范解答 1 选b 要使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力 应将长木板远离定滑轮的一端垫起 使小车所受重力沿木板向下的分力与小车及纸带所受摩擦力平衡 即选项b正确 2 选c 要使砂和砂桶的总重力的大小作为细线对小车拉力的大小 必须使m m 只有选项c符合这个要求 3 小车的加速度为 其中t 0 1s 代入数据得 a 0 42m s2 答案 1 b 2 c 3 0 42 热点二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 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 由a 图象 你得出的结论为 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 a 图象如图所示 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 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 见规范解答 在物体受外力不变时 物体的加速度与质量成反比 0 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 2013 临汾模拟 在 探究加速度与力 质量的关系 的实验中备有下列器材 a 电磁打点计时器 b 天平 带砝码 c 秒表 d 低压直流电源 e 纸带和复写纸 f 导线 g 细绳 h 小车 i 砂和小桶 j 一端附有滑轮的长木板 k 砝码 1 其中多余的器材是 填代号 缺少的器材是 和 2 在探究加速度a与质量m的关系时 分别以 为纵坐标 为横坐标作图象 这样就能直观地看出其关系 解析 1 实验的重点是在质量一定时 根据不同力作用下打出的纸带 求出加速度 在力一定时 根据在不同质量条件下打出的纸带 求出加速度 故只要明确打点计时器工作原理和实验步骤 则可判断多余的器材是c d 缺少的器材是低压交流电源和刻度尺 2 探究加速度a与质量m的关系时 以a为纵坐标 以为横坐标 作出的图像为经过原点的倾斜直线 这样很容易看出它们的关系 答案 1 c d低压交流电源刻度尺 2 a 2 2013 宁波模拟 某学习小组用如图所示装置探究 加速度和力的关系 该小组已经测量了两个光电门间的距离为l 遮光条的宽度为d 遮光条通过两个光电门的时间分别为t1 t2 则 1 小车的实际加速度可以表示为 用题中所给物理量表示 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在坐标纸上画出a f关系的点迹 如图所示 经过分析 发现存在一些问题 产生的主要原因可能是 a 轨道与水平方向夹角太小b 轨道保持了水平状态 没有平衡摩擦力c 所挂钩码的总质量太大 造成上部点迹有向下弯曲趋势d 所用小车的质量太大 造成上部点迹有向下弯曲趋势 解析 1 遮光条通过两个光电门时的速度分别为根据匀变速直线运动规律v22 v12 2al 解得小车的实际加速度可以表示为 2 选c 图线直线部分没有过原点 说明f为零时物体已有一定的加速度 产生的主要原因可能是轨道倾斜太大 选项a b错误 图线上部弯曲产生的主要原因是所挂钩码的总质量太大 造成上部点迹有向下弯曲趋势 选项c正确 d错误 答案 1 2 c 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 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 2012 山东高考 某同学利用图甲所示的实验装置 探究物块在水平桌面上的运动规律 物块在重物的牵引下开始运动 重物落地后 物块再运动一段距离停在桌面上 尚未到达滑轮处 从纸带上便于测量的点开始 每5个点取1个计数点 相邻计数点间的距离如图乙所示 打点计时器电源的频率为50hz 1 通过分析纸带数据 可判断物块在两相邻计数点 和 之间某时刻开始减速 2 计数点5对应的速度大小为 m s 计数点6对应的速度大小为 m s 保留三位有效数字 3 物块减速运动过程中加速度的大小为a m s2 若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数 g为重力加速度 则计算结果比动摩擦因数的真实值