2019年物理《复习方略》课件（鲁科版）必修1 第三章 实验四验证牛顿运动定律

1、实验四验证牛顿运动定律,【实验过程】 一、实验步骤 1.称量质量用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。 2.安装器材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。 4.让小车靠近打点计时器,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1中。 5.改变小盘内砝码的个数,重复步骤4,并多做几次。,6

2、.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,并将所对应的质量和加速度填入表2中。 7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并多做几次。,表1,表2,二、数据处理 1.计算加速度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.作图像找关系根据记录的各组对应的加速度a与小车所 受牵引力F,建立直角坐标系,描点画a-F图像,如果图像是一条 过原点的倾斜直线,便证明加速度与作用力成正比。再根据记 录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M,建立直角坐标 系,描点画

3、a- 图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,就 证明了加速度与质量成反比。,【误差分析】 1.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mg=(M+m)a;以小车为研究对象得F=Ma;求得 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

4、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。,【注意事项】 1.平衡摩擦力 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,且要让小车拖着纸带匀速运动。 2.不重复平衡摩擦力 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.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,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。 4.一先一后一按住 改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠

5、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 作图时,两坐标轴的比例要适当,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧。,【实验改进】 本实验中可以用气垫导轨来代替长木板,这样就省去了平衡摩擦力的麻烦,小车的加速度也可以利用传感器来测量,借助于计算机来处理。,热点 1 实验原理与注意事项 【典例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,

6、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

7、、40g B.M=200g,m=20g、40g、60g、80g、100g、120g C.M=400g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40g D.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)。

8、,【标准解答】(1)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)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mM,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 2 实验数据处理与误差分析 【典例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:

9、 (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大 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,【标准解答】(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B、C。图线直线部分没有过原点，说明F达到一定值时

10、物体才开始运动。产生的主要原因可能是轨道保持了水平状 态，没有平衡摩擦力，选项A错误，B正确。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)B、C,【双基题组】 1.在利用打点计时器和小车来做“验证牛顿运动定律”的实 验时,下列说法中正确的是() A.平衡摩擦力时,应将砝码盘及盘内砝码通过定滑轮拴在小车上 B.连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板保持平行 C.平衡摩擦力后,改变小车和砝码的总质量时,要重新平衡摩擦力 D.小车释放前应靠近打点计时器,且应先接通电源再释放小车,【解析】选B、D。平衡摩擦力时,不能将砝码盘及盘

11、内砝码(或小桶)通过细绳拴在小车上,选项A错误;连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板保持平行,选项B正确;平衡摩擦力后,无论是改变砝码盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量时都不需要重新平衡摩擦力,选项C错误;实验时,小车释放前应靠近打点计时器,且应先接通电源,待打点稳定后,再释放小车,选项D正确。,2.(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

12、 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、为横坐标作图像,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,【高考题组】 3.(2011浙江高考)在“探究加速度与力、质量的关

13、系”实验 时,已提供了小车、一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘 的细线、刻度尺、天平、导线。为了完成实验,还须从图中选 取实验器材,其名称是;并分别写出所选器 材的作用 。,【解析】为测量小车的加速度,需记录小车运动的位置和时间,这可利用打点计时器和纸带完成。所以,实验中应有打点计时器。实验中需要改变小车的质量,这可通过在小车上添加钩码来实现,所以实验中应有钩码。实验中还需要改变小车所受拉力的大小,这可通过改变盘中的砝码的数目来改变,所以实验中应有砝码。,学生电源为电磁打点计时器提供交流电源;电磁打点计时器(电火花计时器)记录小车运动的位置和时间;钩码用以改变小车的质量;砝码用以改变小车受到

14、的拉力的大小,还可用于测量小车的质量。 答案:学生电源、电磁打点计时器、钩码、砝码(或电火花计时器、钩码、砝码)见解析,4.(2012大纲版全国卷)图甲为验证牛顿第二定律的实验装置示意图。图中打点计时器的电源为50Hz的交流电源,打点的时间间隔用t表示。在小车质量未知的情况下,某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下,物体的加速度与其质量间的关系”。,(1)完成下列实验步骤中的填空。 平衡小车所受的阻力:小吊盘中不放物块,调整木板右端的高度,用手轻拨小车,直到打点计时器打出一系列的点。 按住小车,在小吊盘中放入适当质量的物块,在小车中放入砝码。 打开打点计时器电源,释放小车,获得带有点

15、列的纸带,在纸带上标出小车中砝码的质量m。 按住小车,改变小车中砝码的质量,重复步骤。,在每条纸带上清晰的部分,每5个间隔标注一个计数点。测量 相邻计数点的间距s1、s2求出与不同m相对应的加速度a。 以砝码的质量m为横坐标, 为纵坐标,在坐标纸上作出 -m 关系图线。若加速度与小车和砝码的总质量成反比,则 与m 应成(选填“线性”或“非线性”)关系。,(2)完成下列填空。 本实验中,为了保证在改变小车中砝码的质量时,小车所受 的拉力近似不变,小吊盘和盘中物块的质量之和应满足的条件 是 。 设纸带上三个相邻计数点的间距为s1、s2和s3。a可用s1、s3 和t表示为a=。图乙为用米尺测量某一纸

16、带上的s1、 s3的情况,由图可读出s1=mm,s3=mm,由此求得 加速度的大小a=m/s2。,图丙为所得实验图线的示意图。设图中直线的斜率为k, 在纵轴上截距为b,若牛顿定律成立,则小车受到的拉力 为,小车的质量为。,【解析】(1)小车和吊盘受到的合外力为零,一起做匀速直线运 动,所以纸带点距相等。平衡阻力后,设小车受到的拉力为F,则 有F=(m+m车)a,即 是关于m的一次函数,它们是 线性关系。 (2)实际上,小车的拉力F会随m的变化而变化,不是恒定的。 因为: 对小车由牛顿第二定律有:F=(m+m车)a, 对吊盘和物块(设其质量为m0):m0g-F=m0a, 联立以上两式得:,因此,

17、当改变小车上的砝码的质量m时,F会相应改变。只有当 吊盘和物块质量m0m+m车时,拉力Fm0g才是不变的,在这种 情况下,才可验证“拉力一定时,加速度与物体质量的关系”。 由逐差法s3-s1=2a(5t)2得加速度a= ,由图可读出 s1= 36.8mm-12.5mm=24.3mm,s3=120.1mm-73.0mm=47.1mm,一 定要估读到毫米的下一位数字。代入数据,得加速度的大小a= 1.14m/s2。注意单位的变换。,答案:(1)间距相等线性(2)小吊盘和盘中物块 的质量之和远小于小车和砝码的质量 24.347.11.14,5.(2010江苏高考)为了探究受到空气阻力时,物体运动速度随时间的变化规律,某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置(如图所示)。实验时,平衡小车与木板之间的摩擦力后,在小车上安装一薄板,以增大空气对小车运动的阻力。,(1)往砝码盘中加入一小砝码,在释放小车(选填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源,在纸带上打出一系列的点。