《夺冠之路》福建专用高三物理一轮复习 第3章第6课时 实验：验证牛顿第二定律课件 鲁科版.ppt

2012第六课时实验 验证牛顿第二定律 1 学会用控制变量思想研究物理规律 探究加速度与力 质量的关系 2 学会灵活应用图象处理物理问题的方法 3 知道并会分析误差的来源 掌握实验过程的注意事项 一 实验原理与方法1 验证牛顿运动定律的实验依据是f ma 本实验中有力f 质量m和加速度a三个变量 研究加速度a与f及m的关系时 先控制质量m不变 讨论加速度a与力f的关系 然后再控制力f不变 讨论加速度a与质量m的关系 2 实验中需要测量的物理量和测量方法是小车及砝码的总质量m 用天平测出 小车受到的拉力f认为等于重物的重力mg 小车的加速度a利用纸带根据 s at2计算 二 实验器材打点计时器 纸带 小车 一端附有定滑轮的长木板 重物 细绳 低压交流电源 导线 天平 带有一套砝码 刻度尺 砝码 三 实验步骤及数据处理1 用天平测出小车和砝码的总质量m 重物的质量m 把数值记录下来 2 按如图所示把实验器材安装好 只是不把悬挂重物的细绳系在车上 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 直至小车在斜面上运动时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方向上的分力平衡 4 把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂重物 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 在小盘里放入适量的砝码 把小盘和砝码的总质量m 记录下来 重复步骤4 6 重复步骤5两次 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等于小盘和砝码的总重力 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 保持小盘和砝码的质量不变 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 四 注意事项1 平衡摩擦力时 不要将悬挂重物的细线系在小车上 即不要给小车施加牵引力 并且让小车拖着打点的纸带运动 2 平衡摩擦力后 无论如何改变重物或小车和砝码的质量 都不需要重新平衡摩擦力 但必须保证细绳与长木板平行 3 每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于重物的质量的条件下打出 只有如此 重物的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 且应在小车到达滑轮前按住小车 5 作图时两轴标度比例要选择适当 各量采用国际单位 要使尽可能多的点在所作直线上 其余点尽可能均匀分布在直线两侧 舍去个别误差较大的点 五 误差分析1 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 拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差 2 因实验原理不完善造成误差本实验中用重物的重力代替小车受到的拉力 实际上小车受到的拉力要小于重物的重力 存在系统误差 重物的质量越接近小车的质量 误差就越大 反之 重物的质量越小于小车的质量 误差就越小 3 平衡摩擦力不准造成误差平衡摩擦力不好 会使小车受到的拉力不是合外力 造成实验结果有误差 对实验步骤及数据处理的考查 例1 2011年北京西城抽测 某同学采用如图 甲 所示的装置验证规律 物体质量一定 其加速度与所受合力成正比 a 按图 甲 把实验器材安装好 不挂配重 反复移动垫木直到小车做匀速直线运动 b 把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂配重 接通电源 放开小车 打点计时器在被小车带动的纸带上打下一系列点 取下纸带 在纸带上写上编号 c 保持小车的质量m不变 多次改变配重的质量m 重复步骤b d 算出每条纸带对应的加速度的值 e 用纵坐标表示加速度a 横坐标表示配重受的重力mg 作为小车受到的合力f 作出af图象 1 在步骤d中 该同学是采用vt图象来求加速度的 图 乙 为实验中打出的一条纸带的一部分 纸带上标出了连续的3个计数点 依次为b c d 相邻计数点之间还有4个计数点没有标出 打点计时器接在频率为50hz的交流电源上 打点计时器打c点时 小车的速度为 m s 2 其余各点的速度都标在了vt坐标系中 如图 丙 所示 t 0 10s时 打点计时器恰好打b点 请你将 乙 中所得结果标在图 丙 所示的坐标系中 并作出小车运动的vt图线 利用图线求出小车此次运动的加速度a m s2 思路点拨 根据实验原理 步骤及利用纸带计算速度的方法结合图象信息分析计算 解析 1 由匀变速直线运动中某段中间时刻的瞬时速度等于该段的平均速度知vc 0 44m s 2 根据图中描点情况做出vt图象如图所示 大部分点在线上 离线较远的点可舍去 利用vt图的斜率求得加速度为1 0m s2 0 95 1 05均可 1 在验证牛顿第二定律的实验中 加速度的求解是根据纸带记录的数据 利用逐差法或vt图象进行计算 因此实验中要平衡好摩擦力 采用控制变量的方法完成实验 2 利用vt图象分析时要注意斜率的意义及出现截距的原因和解决方法 实验误差的分析 例2 如图为 用dis 位移传感器 数据采集器 计算机 研究加速度与力的关系 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af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 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 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 造成实验误差的原因有多种但最主要的是两种 实验中是否平衡好摩擦力 小车和钩码的质量关系是否满足m车 m码 创新实验 例3 2011年福建省质量检查 某实验小组在 探究加速度与物体受力的关系 实验中 设计出如下的实验方案 其实验装置如图所示 已知小车质量m 214 6g 砝码盘质量m0 7 5g 所使用的打点计时器交流电频率f 50hz 其实验步骤是a 按图中所示安装好实验装置b 调节长木板的倾角 轻推小车后 使小车能沿长木板向下做匀速运动c 取下细绳和砝码盘 记下砝码盘中砝码的质量md 先接通电源 再放开小车 打出一条纸带 由纸带求得小车的加速度a e 重新挂上细绳和砝码盘 改变砝码盘中砝码质量 重复b d步骤 求得小车在不同合外力f作用下的加速度 回答以下问题 1 按上述方案做实验 是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量 填 是 或 否 2 实验中打出的一条纸带如图所示 由该纸带可求得小车的加速度a m s2 3 某同学将有关数据填入他所设计的表格中 并根据表中的数据画出af图象 如图 造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是 从该图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是 其大小是 答案 1 否 2 0 77 3 在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力 只要涉及 未考虑砝码盘的因素 也可 砝码盘的重力0 075n 0 07n 0 08n均可 考点 实验原理及数据处理 例题 综合题 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 实验装置如图所示 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 1 如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加速度a 保留三位有效数字 2 回答下列两个问题 为测量动摩擦因数 下列物理量中还应测量的有 填入所选物理量前的字母 a 木板的长度lb 木板的质量m1c 滑块的质量m2d 托盘和砝码的总质量m3e 滑块运动的时间t 测量 中所选定的物理量时需要的实验器材是 3 滑块与木板间的动摩擦因数 用被测物理量的字母表示 重力加速度为g 与真实值相比 测量的动摩擦因数 填 偏大 或 偏小 写出支持你的看法的一个论据 2010年山东理综 23 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d 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t 木板的加速度可以用d t表示为a 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a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 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 测控导航 1 2010年陕西宝鸡质检 某研究性学习小组用如图所示的装置探究牛顿第二定律 该小组在实验中确定的研究对象是小车 而且认为细线对小车的拉力等于砂桶和砂的总重力 也是小车所受的合外力 则对该实验 以下说法中不正确的是 a a 在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块 反复移动木块的位置 直到小车在砂桶和砂的拉动下带动纸带做匀速直线运动 以平衡小车运动中受到的摩擦力b 实验中必须使砂桶和砂的总质量远小于小车的质量c 细线对小车的真实拉力一定略小于砂桶和砂的总重力d 该实验是应用 控制变量法 来探究牛顿第二定律的解析 把一端垫高是为了平衡摩擦力 但不能在砂桶和砂的拉力下做匀速运动 而应该在不挂砂桶的情况下 拖动纸带做匀速运动 2 原创题 某同学在做 验证牛顿第二定律 的实验中 实验装置如图 1 所示 根据所记录的数据最终得出小车运动的af图线如图 2 所示 从图中我们看出图线是一条经过原点的直线 根据图线可以确定下列说法中不正确的是 b a 本实验中小车质量一定时 其加速度与所受合力成正比b 小车的加速度可能大于重力加速度gc 可以确定小车的质量约为0 50kgd 实验中配重的质量m远小于小车的质量m解析 根据图象数据及变化规律利用公式f ma可知a c d正确 小车在重物重力的拉动下加速 故加速度不可能大于g b错误 3 2010年广东省茂名一模 某实验小组利用如图 甲 所示的气垫导轨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 某同学用质量为100g的滑块做实验 每次实验在吊挂之处逐次增加一个质量为50g的砝码 细绳质量可忽略 则在图 乙 中哪个曲线最适合描述滑块加速度随着吊挂砝码个数的变化情况 d 解析 当钩码的质量不再远远小于滑块质量时 钩码的质量对应的重力就不代替合外力 加速度要变化 4 创新实验 2010年福建三模 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s 24cm 由图 乙 中游标卡尺