高考物理一轮复习 第3单元牛顿运动定律第4讲　实验：验证牛顿运动定律课件 新人教版.ppt

第4讲实验 验证牛顿运动定律 知识建构 技能建构 1 探究加速度与 力 质量的关系 一 实验目的 2 学会运用 控制变量法研究物理规律 知识建构 技能建构 3 会用 图象处理实验数据 二 实验原理 控制变量法 当研究对象与两个或两个以上的参量发生牵连变化时 我们设法控制某些参量使之不变 而研究其中两个参量之间的变化关系的方法 这也是物理实验中经常采用的一种方法 本实验的参量有f m a三个 研究加速度a与力f及质量m的关系时 我们先控制f和m中的一个参量不变 知识建构 技能建构 三 实验器材 沙桶 含沙 纸带及复写纸片 小车 一端附有定滑轮的长木板 砝码 夹子 细绳 电磁打点计时器 导线 天平 带有砝码 刻度尺 知识建构 技能建构 1 用天平测量小盘的质量m0和小车的质量m0 四 实验步骤 知识建构 技能建构 3 平衡摩擦力 小车的尾部挂上纸带 纸带穿过打点计时器的限位孔 将木板无滑轮的一端稍微垫高一些 使小车在不挂小盘和砝码的情况下 能沿木板做匀速直线运动 这样小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受摩擦力平衡 在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下 可以近似认为小盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小 2 把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上 并使滑轮伸出桌面 把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端 连接好电路 知识建构 技能建构 4 把小车停在打点计时器处 挂上小盘和砝码 先接通电源 再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑 打出一条纸带 计算小盘和砝码的重力 即为小车所受的合外力 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 知识建构 技能建构 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 知识建构 技能建构 表 二 知识建构 技能建构 1 需要计算各种情况下所对应的小车加速度 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 根据公式a 计算加速度 五 数据处理 知识建构 技能建构 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直线 就证明了加速度与质量成反比 六 误差分析 1 质量的测量误差 纸带上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 知识建构 技能建构 2 因实验原理不完善造成误差 探究加速度与质量成反比 与力成正比的实验中 所采用的牵引力由细绳拉力来提供 而计算时 采用的是桶和沙的总重力 这两者之间存在着差异 当桶和沙通过细绳与小车一起运动时 由于桶和沙也做匀加速直线运动 故其所受合外力不为零 mg f f为细绳上的张力 也是细绳对小车的拉力 因此 用这种方法得到的结果必然存在误差 因此本实验要求桶和沙的总质量远小于车和砝码的质量 从理论上说 桶和沙的总质量与小车和砝码的总质量相比越小 误差越小 知识建构 技能建构 3 平衡摩擦力不准确从而造成误差 如果忘记了平衡摩擦力或平衡摩擦力不准确都会造成误差 七 注意事项 知识建构 技能建构 1 一定要做好平衡摩擦力的工作 也就是调出一个合适的斜面 使小车的重力沿着斜面方面的分力正好平衡小车受的摩擦阻力 在平衡摩擦力时 不要把悬挂小盘的细线系在小车上 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 知识建构 技能建构 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分布在所作直线两侧 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 知识建构 技能建构 7 为提高测量精度 可采取以下措施 6 作图时两坐标轴的标度比例要选择适当 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 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 而相邻计数点间的时间间隔为t 0 1s 知识建构 技能建构 例1在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时 采用如图甲所示的实验装置 小车及车中的砝码质量用m表示 盘及盘中的砝码质量用m表示 小车的加速度可由小车后拖动的纸带上由打点计数器打出的点计算出 甲 一 实验原理 步骤的考查 知识建构 技能建构 1 当m与m的大小关系满足时 才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力 知识建构 技能建构 2 一组同学在做实验时先保持盘及盘中的砝码质量一定 探究加速度与质量的关系 以下做法错误的是 a 平衡摩擦力时 应将盘及盘中的砝码用细绳绕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 再接通打点计时器电源 d 小车运动的加速度可用天平测出m以及小车质量m 直接用公式a 求出 知识建构 技能建构 3 在保持小车及车中的砝码质量m一定 探究加速度与所受合外力的关系时 由于平衡摩擦力时操作不当 二位同学得到的a f关系 分别如图乙 丙所示 a是小车的加速度 f是细线作用于小车的拉力 其原因分别是 知识建构 技能建构 规范全解 1 验证牛顿运动定律实验 为了减小系统误差 必须满足m m 才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力 名师点金 从实验原理入手 对照本实验的操作要求 弄清各图象的物理意义 讨论实验中处理数据的方法 知识建构 技能建构 2 平衡摩擦力时 不能将盘及盘中的砝码用细绳绕过定滑轮系在小车上 每次改变小车的质量时 不需要重新平衡摩擦力 实验时 先接通打点计时器电源 再放开小车 小车运动的加速度应由打点计时器打出的纸带求出 选项a c d错误 知识建构 技能建构 3 如图乙所示 当外力f为零时 小车就有加速度了 是因为平衡摩擦力时 长木板的倾角过大了 丙图中对应一段外力f后才有加速度 是因为没有平衡摩擦力或木板的倾角过小 答案 1 m m 2 acd 3 乙图平衡摩擦力时 长木板的倾角过大了丙图没有平衡摩擦力或木板的倾角过小 知识建构 技能建构 例2 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 二 实验数据的分析处理 知识建构 技能建构 1 在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中 打出了一条纸带如图乙所示 计时器打点的时间间隔为0 02s 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 甲 知识建构 技能建构 乙 知识建构 技能建构 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 请根据实验数据在图丙中作出a f的关系图象 知识建构 技能建构 丙 知识建构 技能建构 3 根据提供的实验数据作出的a f图线不通过原点 请说明主要原因 名师点金 由加速度公式 x at2计算 描点连线 由实验原理分析图线不通过原点的原因 知识建构 技能建构 规范全解 1 处理匀变速直线运动中所打出的纸带 求解加速度用公式 x at2 关键是弄清公式中各个量的物理意义 x为连续相等时间内的位移差 t为连续相等的时间间隔 如果每5个点取一个计数点 则连续两个计数点的时间间隔t 0 1s x 3 68 3 52 10 2m 代入可得加速度a 0 16m s2 也可以使用最后一段和第二段的位移差求解 得加速度a 0 15m s2 知识建构 技能建构 2 根据图中的数据 合理的设计横纵坐标的刻度值 使图线倾斜程度不能太小也不能太大 以与水平方向夹角成45 左右为宜 由此确定f的范围从0设置到1n较合适 而a则从0到3m s2较合适 设好刻度 根据数据确定各点的位置 将各点用一条直线连起来 延长交与坐标轴上某一点 如图丁所示 知识建构 技能建构 3 处理图象问题要注意图线的斜率 交点 拐点 面积等的意义 能正确理解这些量的意义 则很多问题将会迎刃而解 与纵坐标相交而不过原点 该交点说明当不挂砝码时 小车仍有加速度 即绳对小车仍有拉力 从此拉力的来源考虑很容易得到答案 是因为砝码盘的重力 而在 2 问的图表中只给出了砝码的总重力 而没有考虑砝码盘的重力 丁 知识建构 技能建构 答案 1 0 16 0 15也算对 2 如图丁所示 3 未计入砝码盘的重力 知识建构 技能建构 例3如图甲所示为 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 甲 三 实验误差分析 知识建构 技能建构 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 乙 知识建构 技能建构 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 如图乙所示 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 知识建构 技能建构 规范全解 1 因为要探索 加速度和力的关系 所以应保持小车的总质量不变 钩码所受的重力作为小车所受外力 2 由于oa段a f关系为一倾斜的直线 所以在质量不变的条件下 加速度与外力成正比 由实验原理mg ma得a a 而实际上 可见ab段明显偏离直线是由于没有满足m m造成的 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 名师点金 本实验由于实验原理的近似存在系统误差 知识建构 技能建构 1 2011年高考 重庆理综卷 某同学设计了如图甲所示的装置 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做初速为零的匀加速直线运动 重力加速度g取10m s2 甲 知识建构 技能建构 2 根据牛顿运动定律得到a与m的关系为 a m g 他想通过多次改变m 测出相应的a值 并利用上式计算 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 1 为测量滑块的加速度a 须测出它在a b间运动的与 计算a的运动学公式是 知识建构 技能建构 3 实验得到a与m的关系如图乙所示 由此可知 取两位有效数字 乙 知识建构 技能建构 解析 1 a 故用直尺测量位移 用秒表测量时间 2 根据加速度公式 要求a与m成一次函数 则前的分式应该是恒值 则要求m m保持不变 要m m保持不变 把从托盘中取出的砝码就必须放在滑块上 3 先根据图象求出图线的斜率k 则公式变为a km g 再在图象上取一点对应的a与m求出 答案 1 位移时间a 2 m m滑块上 3 0 23 0 21 0 25 知识建构 技能建构 2 2011年高考 山东理综卷 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 知识建构 技能建构 2 滑块与斜面间的动摩擦因数为 1 滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为 知识建构 技能建构 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 经过相同的时间 滑块沿斜面下滑的位移为x 小球自由下落的高度为h 则有 at2 x gt2 h 得滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为 知识建构 技能建构 2 根据上式 a g 而mgsin mgcos ma 联立得 h 滑块与斜面间的动摩擦因数为 h 3 根据 h 知c能引起实验误差 动摩擦因数与物体的质量无关 滑块的质量和当地的重力加速度不会引起实验误差 关系式成立的前提是滑块与小球运动的时间相同 所以小球落地和滑块撞击挡板不同时对结果有影响 答案 1 2 h 3 cd 知识建构 技能建构 3 2011年日照模拟 为 探究牛顿第二定律 某同学设计了如下实验方案 a 实验装置如图甲所示 一端系在滑块上的轻质细绳通过转轴光滑的轻质滑轮 另一端挂一质量m 0 5kg的钩码 用垫块将光滑长木板有定滑轮的一端垫起 调整长木板的倾角 直至轻推滑块后 滑块沿木板向下做匀速直线运动 b