2017届一轮复习 实验4 验证牛顿运动定律 课件（33张）.pptx

实验4:验证牛顿运动定律,-2-,-3-,知识梳理,一、实验目的1.掌握用控制变量法研究物理规律的方法。2.学会利用图象处理数据的方法。3.验证牛顿第二定律。二、实验原理本实验中,研究的参量有F、m、a。1.控制m一定,研究a与F的关系。2.控制F一定,研究a与m的关系。三、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、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。,-4-,知识梳理,四、实验步骤1.用天平测量小盘的质量m0和小车的质量m1。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。3.平衡摩擦力:在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合外力的大小。,-5-,知识梳理,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。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。7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6。五、实验改进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。,-6-,考点一,考点二,考点一实验器材、原理、目的的考查例1使用如图所示的气垫导轨装置探究加速度与力的关系。其中G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过G1、G2光电门时,光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录,滑行器连同上面固定的条形挡光片的总质量为m0,挡光片宽度为D,光电门之间的距离为x,牵引砝码的质量为m。回答下列问题:,-7-,考点一,考点二,(1)实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉,使气垫导轨水平,在不增加其他仪器的情况下,如何判定调节是否到位?答:(2)若取m0=0.4 kg,改变m的值,进行多次实验,以下m的取值不合适的一个是()A.m1=5 gB.m2=15 gC.m3=40 gD.m4=400 g(3)在此实验中,需要测得每一个牵引力对应的加速度,求得的加速度的表达式为。(用t1、t2、D、x表示),答案,解析,-8-,考点一,考点二,思路引导如果气垫导轨水平,则不挂牵引砝码时,滑行器应处于什么状态?实验时满足什么条件,滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重力?,提示:如果气垫导轨水平,则不挂牵引砝码时,滑行器应处于静止状态,或轻推滑行器后滑行器能处于匀速直线运动状态。,提示:当m0m时,滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重力。,-9-,考点一,考点二,滑行器加速度的求解:a.滑行器通过光电门G1的速度:;b.滑行器通过光电门G2的速度:;c.滑行器经过位移x的运动学方程:。,-10-,考点一,考点二,规律总结(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向的分力正好平衡小车受到的摩擦阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬挂重物的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运动。(2)整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变重物质量,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与车上所加砝码的总质量远大于重物质量的条件下打出。只有如此,重物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,并先接通电源,再放开小车,且应在小车到达滑轮前按住小车。,-11-,考点一,考点二,(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。(6)作图时两轴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。(7)为提高测量精度,可以采取下列措施: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。可以把每打五次点的时间作为时间单位,即从开始点起,每隔四个点标出一个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为T=0.1 s。,-12-,考点一,考点二,考点二数据处理与误差分析例2(2014全国理综,22)某同学利用图(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图,如图(b)所示。实验中小车(含发射器)的质量为200 g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮。小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题。,图(a),-13-,考点一,考点二,图(b),(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成(选填“线性”或“非线性”)关系。(2)由图(b)可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是。(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是,钩码的质量应满足的条件是。,-14-,考点一,考点二,解析:(1)由小车的加速度与钩码质量的关系图可知,描的点不在一条直线上,两者为非线性关系。(2)由关系图可知,当钩码质量不为零,即小车受到一定的拉力时,其加速度为零,原因可能是平衡摩擦力不彻底。(3)调节轨道的倾斜度,平衡摩擦力,使得小车受的合力等于绳对小车的拉力。分别对小车和钩码受力分析,由牛顿第二定律得, 因此,平衡摩擦力后,再使钩码的质量远小于小车的质量,就可以直接以钩码的重力作为小车受到的合外力。答案:(1)非线性(2)存在摩擦力(3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力远小于小车的质量,-15-,考点一,考点二,思路引导“a-m”图线不过原点说明了什么?“直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力”需要满足什么条件?,提示:“a-m”图线不经过原点说明平衡摩擦力不彻底。,提示:钩码的质量要“远小于”小车的质量。,-16-,考点一,考点二,规律总结(1)实验数据的处理方法图象法、化曲为直法探究加速度与力的关系以加速度a为纵坐标、F为横坐标,根据测量的数据描点,然后作出图象,看图象是否是通过原点的直线,就能判断a与F是否成正比。探究加速度与质量的关系以a为纵坐标、m为横坐标,根据各组数据在坐标系中描点,将会得到如图甲所示的一条曲线。由图线只能看出m增大时a减小,但a与m具体是什么关系,不能得出。若以a为纵坐标、 为横坐标,将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线,据此可判断a与m成反比。,-17-,考点一,考点二,方法总结利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法。在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比,那么,x就应与 成正比。因为在处理数据时,判断一条图线是否为正比例函数图象比判断其是否为反比例函数图象要简单和直观得多,所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理。,-18-,考点一,考点二,(2)误差分析质量的测量误差、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。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。重物质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,重物质量越小于小车的质量,误差就越小。平衡摩擦力不准造成误差:在平衡摩擦力时,除了不挂重物外,其他的都跟正式实验一样(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点的距离相等。,-19-,1,2,3,4,5,1.某同学用如图甲所示的装置来研究牛顿第二定律。,甲,乙,-20-,1,2,3,4,5,(1)该实验中,如果研究加速度与外力的关系,要保证小车质量不变;如果研究加速度与质量的关系,要保证。(2)图乙是某次实验打出的一条纸带,O为起点,A、B、C为三个相邻的计数点,相邻的计数点之间有四个点没有标出,有关数据已在图中标出,电源频率为50 Hz,则小车的加速度a=m/s2,打B点时小车的速度vB=m/s。(结果保留两位有效数字)(3)在探究加速度与质量的关系时,多次改变小车以及车中砝码的总质量m,并测出对应的加速度a。若用图象法处理数据,应作a与的关系图象,才能很直观地反映它们之间的关系。,-21-,1,2,3,4,5,-22-,1,2,3,4,5,2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,采用如图甲所示的实验装置,小车及车中砝码的总质量用m0表示,盘及盘中砝码的总质量用m表示,小车的加速度可由小车拖动的纸带上由打点计时器打出的点计算出。,-23-,1,2,3,4,5,(1)一组同学在做探究加速度与质量的关系实验时,保持盘及盘中砝码的总质量一定,改变小车及车中砝码的总质量,测出相应的加速度。采用图象法处理数据。为了比较容易地判断出加速度a与质量m0的关系,应该作出a与的图象。(2)如图乙所示为A同学做探究加速度与合外力的关系实验时,根据测量数据作出的a-F图象,说明实验存在的问题是。(3)B、C同学用同一装置做探究加速度与合外力的关系实验时,画出了各自得到的a-F图象如图丙所示,两个同学做实验时取值不同的物理量是。,-24-,1,2,3,4,5,-25-,1,2,3,4,5,3.下面表格里是做“验证牛顿第二定律”实验时,小车的加速度a与拉力F的数据。(1)请根据表中的数据在图中作出a-F图线;(2)图线若不过原点,其原因:;(3)图线的斜率的物理意义是。,-26-,1,2,3,4,5,答案:(1)如图所示(2)木板倾角过大或者平衡摩擦过度(3)小车的质量的倒数,解析:(2)由题图可知,图线与a轴有交点,它表示没有施加外力F时,已经有加速度,该加速度是小车的重力沿木板向下的分力与小车所受阻力的合力所产生的,即平衡摩擦力时木板倾角过大导致平衡摩擦过度。(3)由F=ma可知 ,即斜率表示小车质量的倒数。,-27-,1,2,3,4,5,高考微题组4.(2013天津理综,9(2)某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)下列做法正确的是()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,-28-,1,2,3,4,5,(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(选填“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,各取一套图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。(均选填“”“”或“=”),-29-,1,2,3,4,5,答案:(1)AD(2)远小于(3)解析:(1)实验时,要保证牵引木块的细线与长木板平行,即使拉力方向与长木板平行,选项A正确;平衡摩擦力时,让木块的重力沿斜面的分力与摩擦力平衡,不能悬挂砝码桶,选项B错误;实验时,应先接通打点计时器电源,再释放木块,选项C错误;整个实验过程只需平衡一次摩擦力即可,选项D正确。(2)当砝码桶及桶内砝码的总质量远小于木块及木块上砝码的总质量时,才能近似认为木块运动时受的拉力等于砝码桶及桶内砝码总重力。(3)根据牛顿第二定律有F-mg=ma,即a=-g+ F,图线的斜率表示质量的倒数,所以m甲乙。,-30-,1,2,3,4,5,5.(2012安徽理综,21()图1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m0。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。,图1,-31-,1,2,3,4,5,(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,-32-,1,2,3,4,5,(2)实验中要进行质量m和m0的选取,下列最合理的一组是()A.m0=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gB.m0=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gC.m0=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gD.m0=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g(3)图2是实验中得到的一条纸带,A、