复习方略高考物理一轮复习实验四验证牛顿运动定律课件沪科版必修

1、实 验 四验证牛顿运动定律实验目的和器材实验目的和器材实验原理实验原理实验实验目的目的1.1.学会用控制变量法研究物理规律。学会用控制变量法研究物理规律。2.2.验证牛顿第二定律。验证牛顿第二定律。3.3.掌握利用图像处理数据的方法。掌握利用图像处理数据的方法。探究加速度探究加速度a a与力与力F F及质及质量量M M的关系时的关系时, ,应用的基应用的基本方法是控制变量法本方法是控制变量法, ,即先控制一个参量即先控制一个参量小车的质量小车的质量M M不变不变, ,探究探究加速度加速度a a与力与力F F的关系的关系; ;再控制小盘和砝码的质再控制小盘和砝码的质量不变量不变, ,即力即力F

2、F不变不变, ,探探究加速度究加速度a a与小车质量与小车质量M M的关系。的关系。实验实验器材器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、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、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、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码、薄木块。天平、刻度尺、砝码、薄木块。【实验过程实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.称量质量称量质量用天平测量小盘的质量用天平测量小盘的质量m m0 0和小车的质量和小车的质量M M0 0。2.2.安装器材安装器材按照如图所示装置把实验器材安装好按照如图所示装置把实验器材安装好, ,只是

3、不只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上把悬挂小盘的细绳系在小车上( (即不给小车牵引力即不给小车牵引力) )。3.3.平衡摩擦力平衡摩擦力在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块薄木块, ,反复移动薄木块的位置反复移动薄木块的位置, ,直至小车在斜面上运动时可以直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。保持匀速运动状态。4.4.让小车靠近打点计时器让小车靠近打点计时器, ,挂上小盘和砝码挂上小盘和砝码, ,先接通电源先接通电源, ,再让再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑小车拖着纸带在木板上匀加速下滑, ,打出一条纸带。计算小盘打出一条纸带。计算小盘和砝码

4、的重力和砝码的重力, ,即为小车所受的合外力即为小车所受的合外力, ,由纸带计算出小车的加由纸带计算出小车的加速度速度, ,并把力和对应的加速度填入表并把力和对应的加速度填入表1 1中。中。5.5.改变小盘内砝码的个数改变小盘内砝码的个数, ,重复步骤重复步骤4,4,并多做几次。并多做几次。6.6.保持小盘内的砝码个数不变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在小车上放上砝码改变小车的质量质量, ,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量量M,M,并由纸带计算出小车对应的加速度并由纸带计算出小车对应的加速度, ,并将所

5、对应的质量和并将所对应的质量和加速度填入表加速度填入表2 2中。中。7.7.改变小车上砝码的个数改变小车上砝码的个数, ,重复步骤重复步骤6,6,并多做几次。并多做几次。表表1 1实验次数实验次数加速度加速度a/msa/ms-2-2小车受力小车受力F/NF/N1 12 23 34 4表表2 2实验次数实验次数加速度加速度a/msa/ms-2-2小车和砝码的小车和砝码的总质量总质量M/kgM/kg1 12 23 34 4二、数据处理二、数据处理1.1.计算加速度计算加速度先在纸带上标明计数点先在纸带上标明计数点, ,测量各计数点间的测量各计数点间的距离距离, ,根据逐差法计算各条纸带对应的加速度

6、。根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。2.2.作图像找关系作图像找关系根据记录的各组对应的加速度根据记录的各组对应的加速度a a与小车所与小车所受牵引力受牵引力F,F,建立直角坐标系建立直角坐标系, ,描点画描点画a -Fa -F图像图像, ,如果图像是一条如果图像是一条过原点的倾斜直线过原点的倾斜直线, ,便证明加速度与作用力成正比。再根据记便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度录的各组对应的加速度a a与小车和砝码总质量与小车和砝码总质量M,M,建立直角坐标建立直角坐标系系, ,描点画描点画a - a - 图像图像, ,如果图像是一条过原点的倾斜直线如果图像是一条过原点的

7、倾斜直线, ,就就证明了加速度与质量成反比。证明了加速度与质量成反比。1M【误差分析误差分析】1.1.因实验原理不完善引起误差。以小车、小盘和砝码整体为因实验原理不完善引起误差。以小车、小盘和砝码整体为研究对象得研究对象得mg=(M+m)a;mg=(M+m)a;以小车为研究对象得以小车为研究对象得F=Ma;F=Ma;求得求得本实验用小盘和砝码的总重力本实验用小盘和砝码的总重力mgmg代替小车的拉力代替小车的拉力, ,而实际上小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量越小于小车的质量, ,由此引起的

8、误差就越小。因此由此引起的误差就越小。因此, ,满足小盘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。不完善而引起的误差。M1Fmgmg mgmM m1M。2.2.摩擦力平衡不准确造成误差。在平衡摩擦力时摩擦力平衡不准确造成误差。在平衡摩擦力时, ,除了不挂小除了不挂小盘外盘外, ,其他的均与正式实验一样其他的均与正式实验一样( (比如要挂好纸带、接通打点计比如要挂好纸带、接通打点计时器时器),),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

9、。间的距离相等。3.3.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。差、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差。【注意事项注意事项】1.1.平衡摩擦力：在平衡摩擦力时平衡摩擦力：在平衡摩擦力时, ,不要把悬挂小盘的细绳系在不要把悬挂小盘的细绳系在小车上小车上, ,即不要给小车加任何牵引力即不要给小车加任何牵引力, ,且要让小车拖着纸带匀速且要让小车拖着纸带匀速运动。运动。2.2.不重复平衡摩擦力：整个实验平衡了摩擦力后不重复平衡摩擦力：整个实验平衡了摩擦力后, ,不管以后是不管以后是改变小盘和砝

10、码的总质量还是改变小车和砝码的总质量改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量, ,都不都不需要重新平衡摩擦力。需要重新平衡摩擦力。3.3.实验条件：每条纸带都必须在满足小车的质量远大于小盘和实验条件：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小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。才可视为小车受到的拉力。4.4.一先一后一按住：改变拉力和小车质量后一先一后一按住：改变拉力和小车质量后, ,每次开始时小车每次开始时小车应尽量靠近打点计时器应尽量靠近打点计时器, ,并应先接通电源并应先接通电源,

11、,再放开小车再放开小车, ,且应在且应在小车到达定滑轮前按住小车。小车到达定滑轮前按住小车。5.5.作图：作图时作图：作图时, ,两坐标轴的比例要适当两坐标轴的比例要适当, ,要使尽可能多的点要使尽可能多的点落在所作直线上落在所作直线上, ,不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧。直线两侧。【实验改进实验改进】本实验中可以用气垫导轨来代替长木板本实验中可以用气垫导轨来代替长木板, ,这样就省去了平衡摩这样就省去了平衡摩擦力的麻烦擦力的麻烦, ,小车的加速度也可以利用传感器来测量小车的加速度也可以利用传感器来测量, ,借助于借助于计算机来处理。计算机

12、来处理。热点热点1 1 实验原理与注意事项实验原理与注意事项【典题典题1 1】(2014(2014东莞模拟东莞模拟) )使用如图所示的气垫导轨装置探使用如图所示的气垫导轨装置探究加速度与力的关系。其中究加速度与力的关系。其中G G1 1、G G2 2为两个光电门为两个光电门, ,它们与数字计它们与数字计时器相连时器相连, ,当滑行器通过当滑行器通过G G1 1、G G2 2光电门时光电门时, ,光束被遮挡的时间光束被遮挡的时间tt1 1、tt2 2都可以被测量并记录都可以被测量并记录, ,滑行器连同上面固定的条形挡滑行器连同上面固定的条形挡光片的总质量为光片的总质量为M,M,挡光片宽度为挡光片

13、宽度为D,D,光电门之间的距离为光电门之间的距离为s,s,牵引牵引砝码的质量为砝码的质量为m m。回答下列问题：。回答下列问题：(1)(1)实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉, ,使气垫导轨水使气垫导轨水平平, ,在不增加其他仪器的情况下在不增加其他仪器的情况下, ,如何判定调节是否到位如何判定调节是否到位? ?答：答： 。(2)(2)若取若取M=0.4kg,M=0.4kg,改变改变m m的值的值, ,进行多次实验进行多次实验, ,以下以下m m的取值不合的取值不合适的一个是适的一个是。A.mA.m1 1=5g=5gB.mB.m2 2=15g=15gC.m

14、C.m3 3=40g D.m=40g D.m4 4=400g=400g(3)(3)在此实验中在此实验中, ,需要测得每一个牵引力对应的加速度需要测得每一个牵引力对应的加速度, ,求得的求得的加速度的表达式为加速度的表达式为。( (用用tt1 1、tt2 2、D D、s s表示表示) )【解题探究解题探究】(1)(1)如果气垫导轨水平如果气垫导轨水平, ,则不挂牵引砝码时则不挂牵引砝码时, ,滑行器应处于什么滑行器应处于什么状态状态? ?提示：提示：如果气垫导轨水平如果气垫导轨水平, ,则不挂牵引砝码时则不挂牵引砝码时, ,滑行器应处于滑行器应处于静止状态静止状态, ,或轻推滑行器后滑行器能处于

15、匀速直线运动状态。或轻推滑行器后滑行器能处于匀速直线运动状态。(2)(2)实验时满足什么条件实验时满足什么条件, ,滑行器所受的合外力近似等于牵引滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重力砝码的重力? ?提示：提示：当当M Mm m时时, ,滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重滑行器所受的合外力近似等于牵引砝码的重力。力。(3)(3)滑行器加速度的求解：滑行器加速度的求解：滑行器通过光电门滑行器通过光电门G G1 1的速度：的速度：_;_;滑行器通过光电门滑行器通过光电门G G2 2的速度：的速度：_;_;滑行器经过位移滑行器经过位移s s的运动学方程：的运动学方程：_。11Dvt22Dvt2

16、221vv2as【解析解析】(1)(1)如果气垫导轨水平，则不挂牵引砝码时，滑行如果气垫导轨水平，则不挂牵引砝码时，滑行器应能在任意位置静止不动，或轻推滑行器后滑行器能匀器应能在任意位置静止不动，或轻推滑行器后滑行器能匀速运动。速运动。(2)(2)应满足应满足M Mm m，故，故m m4 4400 g400 g不合适。不合适。(3)(3)由由v v1 1 ，v v2 2 ，v v2 22 2v v1 12 22as2as，可得：可得：1Dt 2Dt 2221DD()()tta2s。答案：答案：(1)(1)取下牵引砝码取下牵引砝码, ,滑行器放在任意位置都不动滑行器放在任意位置都不动; ;或取下

17、或取下牵引砝码牵引砝码, ,轻推滑行器轻推滑行器, ,数字计时器记录的每一个光电门的光数字计时器记录的每一个光电门的光束被挡的时间束被挡的时间tt都相等都相等(2)D(2)D(3)(3)2221DD()()tta2s热点热点2 2 实验数据处理实验数据处理【典题典题2 2】(2013(2013天津高考天津高考) )某实验小组利用图示的装置探究某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。加速度与力、质量的关系。(1)(1)下列做法正确的是下列做法正确的是( () )A.A.调节滑轮的高度调节滑轮的高度, ,使牵引木块的细绳与长木板保持平行使牵引木块的细绳与长木板保持平行B.B.在调节木板

18、倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时, ,将装有砝将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C.C.实验时实验时, ,先放开木块再接通打点计时器的电源先放开木块再接通打点计时器的电源D.D.通过增减木块上的砝码改变质量时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不需要重新调节木板倾斜度斜度(2)(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应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量木块和木块

19、上砝码的总质量。木块和木块上砝码的总质量。( (选填选填“远大于远大于”“远小于远小于”或或“近似等于近似等于”) )(3)(3)甲、乙两同学在同一实验室甲、乙两同学在同一实验室, ,各取一套图示各取一套图示的装置放在水平桌面上的装置放在水平桌面上, ,木块上均不放砝码木块上均不放砝码, ,在在没有平衡摩擦力的情况下没有平衡摩擦力的情况下, ,研究加速度研究加速度a a与拉力与拉力F F的关系的关系, ,分别得到图中甲、乙两条直线分别得到图中甲、乙两条直线, ,设甲、设甲、乙用的木块质量分别为乙用的木块质量分别为m m甲甲、m m乙乙, ,甲、乙用的木块与木板间甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因

20、数分别为的动摩擦因数分别为甲甲、乙乙, ,由图可知由图可知,m,m甲甲m m乙乙,甲甲乙乙。( (选填选填“大于大于”“”“小于小于”或或“等于等于”) )【解题探究解题探究】(1)(1)实验中木块的合外力由谁来提供实验中木块的合外力由谁来提供? ?如何实现如何实现? ?提示：提示：实验中绳的拉力提供木块的合外力实验中绳的拉力提供木块的合外力; ;而实验时而实验时, ,木块会木块会受到摩擦力的作用受到摩擦力的作用, ,为消除摩擦力的影响为消除摩擦力的影响, ,实验前要在悬挂砝实验前要在悬挂砝码桶前平衡摩擦力。码桶前平衡摩擦力。(2)(2)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砝码桶

21、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的分析：受到的拉力的分析：对木块列牛顿第二定律方程：对木块列牛顿第二定律方程：_;_;对砝码桶及桶内砝码列牛顿第二定律方程：对砝码桶及桶内砝码列牛顿第二定律方程：_;_;请根据以上两个方程写出拉力请根据以上两个方程写出拉力F F的表达式的表达式, ,分析拉力近似等分析拉力近似等于砝码桶及桶内砝码的总重力的条件。于砝码桶及桶内砝码的总重力的条件。提示：提示：解以上两个方程得解以上两个方程得F= ,F= ,当当mmm m时时,F=mg,F=mg。F=maF=mamg-F=mamg-F=mammgm m (3)(3)在没有平衡摩擦力的情况下在没有

22、平衡摩擦力的情况下, ,根据牛顿第二定律写出根据牛顿第二定律写出a-Fa-F函函数关系式数关系式, ,分析图像中斜率和截距的物理意义。分析图像中斜率和截距的物理意义。提示：提示：在没有平衡摩擦力的情况下在没有平衡摩擦力的情况下, ,根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律F-mgF-mg=ma,=ma,得得a= F-g,a= F-g,在在a-Fa-F图像中图像中, ,斜率表示质量的倒数斜率表示质量的倒数 ,a,a轴轴上的截距的绝对值表示上的截距的绝对值表示gg。1m1m【解析解析】(1)(1)选选A A、D D。木块下滑时。木块下滑时, ,受到重力、细绳的拉力、受到重力、细绳的拉力、支持力和摩擦力支持

23、力和摩擦力, ,要使拉力等于合力要使拉力等于合力, ,应该使细绳与长木板平应该使细绳与长木板平行且使重力的下滑分量行且使重力的下滑分量mgsinmgsin等于摩擦力等于摩擦力mgcos,mgcos,即即mgsin=mgcos(mgsin=mgcos(其中其中为木板的倾角为木板的倾角),),故平衡摩擦力时故平衡摩擦力时, ,不能悬挂砝码桶不能悬挂砝码桶,A,A正确正确,B,B错误错误; ;由平衡摩擦力的公式可知两边由平衡摩擦力的公式可知两边的质量的质量m m可以消去可以消去, ,故改变木块上的砝码的质量时故改变木块上的砝码的质量时, ,木块及其上木块及其上砝码的总重力的下滑力仍能和总的摩擦力抵消