高考物理大一轮复习 实验四 验证牛顿运动定律课件

1、实验四 验证牛顿运动定律,实验准备,实验目的,控制变量,加速度,力,质量,学会用_法来研究物理规律；探究_与_、 _的关系，进而验证牛顿第二定律.,实验原理,控制变量,探究加速度 a 与力 f 及质量 m 的关系时，应用的基本方法 是_法，即先控制一个参量小车的质量 m 不变， 讨论加速度 a 与力 f 的关系，再控制细沙和沙桶的质量不变， 即力 f 不变，改变小车质量 m，讨论加速度 a 与 m 的关系. 实验器材 打点计时器、纸带及复写纸、小车、一端附有滑轮的长木 板、沙桶、细绳、细沙、低压交流电源、天平、刻度尺、砝码.,实验过程,实验步骤,小车,沙和沙桶,(1)用天平分别测出_和_的质量

2、 m 和 m，把 数值记录下来. (2)按图 s4-1 所示把实验器材安装好. 图 s4-1 (3)平衡摩擦力：在长木板_的一端下面垫上一块 薄木板，反复移动其位置，直至_的小车刚好在斜面,上保持_为止.,没有滑轮,未挂沙桶,匀速直线运动,(4)将沙桶通过细绳系在小车上，先_后_， 使小车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸,带上标上号码.,接通电源,放开小车,(5)保持_不变，改变沙桶中的细沙量，重复步骤 (4)，每次记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将记录的,数据填写在表内.,小车的质量,细沙和沙桶的质量,(6)建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，在 坐标系上描点

3、，画出相应的图线以验证 a 与 f 的关系. (7)保持_不变，改变小车的质量(在小 车上增减砝码)，重复上述步骤(5)、(6)，验证 a 与 m 的关系.,实验分析,注意事项,远大于,(1) 每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量 _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. (2)改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近 _，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.,打点计时器,(3)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的两侧.,(4)作图时两坐标轴标度比例要选择适当，各量须采用国际 单位

4、.这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些.,(5)为提高测量精度，可以采取下列措施：,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.,可以把每打五次点的时间作为单位时间，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 t0.1 s.,图象分析 (1)未平衡阻力对图象的影响：对小车在倾斜的木板上的受 力情况进行分析，如图 s4-2 所示，f 为 m 受到的摩擦力，f为,纸带等的阻力.由牛顿第二定律可得 a,f(mgsin ff) m,调节 可平衡摩擦力，并且只要平衡一次即可. 图 s4-2,若摩擦力未平衡或平衡不足(太小)，则 a00，此时 a-f

5、,图象如图 s4-3 甲所示.,若摩擦力平衡过度(太大)，则 a00，此时 a-f 图象如图,乙所示.,图 s4-3,图 s4-4,图 s4-5,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.,【基础检测】 (2015 年广东深圳模拟) 某同学做“探究加速度与力的关 系”的实验，实验的探究对象是铝块(质量小于沙桶)，在静止 释放轻绳前，装置如图 s4-6 甲所示.,甲,乙,图 s4-6,(1)该同学在实验操作中有两处明显错误，分别是_,_和_.,(2)纠错后开始实验：保持铝块的质量 m 不变，通过在沙桶 中

6、添加沙来改变对铝块的拉力；每次释放轻绳，由力传感器可 测得拉力的大小 f，由纸带上打出的点可算出对应加速度的大 小 a；已知重力加速度为 g.该同学根据多组实验数据画出如图 乙所示的一条过坐标原点的直线，他标注纵轴为加速度 a，但 忘记标注横轴，你认为横轴代表的物理量是_(用所 给的字母表示).,(3)若把力传感器装在右侧轻绳上则实验的误差会更_,(填“大”或“小”).,答案：(1)打点计时器错接在直流电源上 要进行打点的纸,带留得太短,(2)fmg (3)大,考点 1 实验原理、步骤及器材的调整 重点归纳,平衡摩擦力的方法,(1)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

7、加任何牵引力.让小车拖着纸带打点运动，调整长 木板的倾角，直到纸带上打点均匀为止.,(2)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.,典例剖析,例 1：(2013 年天津卷)某实验小组利用图 s4-7 所示的装置,探究加速度与力、质量的关系.,图 s4-7,(1)下列做法正确的是_(填字母代号).,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,

8、板倾斜度,(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_木块和木块上砝码的总质量.(填“远大于”“远 小于”或“近似等于”),(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 s4-8 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.(填“大于”“小于”或“等于”),图 s4-8,答案：(1)ad (2)远小于 (3)小于

9、 大于,【考点练透】 1. 关于“验证牛顿第二定律”实验中验证“作用力一定 时，加速度与质量成反比”的实验过程，以下做法中正确的是,(,),a.平衡摩擦力时，应将装沙的小桶用细绳通过定滑轮系在 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，再接通电源 d.可以利用天平测出沙桶和沙质量 m 和小车质量 m，直接,用公式 a,mg m,求出加速度,能直接用公式 a,解析：平衡摩擦力时，使小车的重力沿斜面向下的分力与 小车运动所受摩擦力平衡，所以不能将小桶系在小车上，a 错 误.平衡摩擦力后，小车和板间的动摩擦因数tan ，与小车 的质量无关，所以改变小车的质量时，

10、不需要重新平衡摩擦力， b 正确.实验时，应先接通电源，待打点稳定后，再放开小车， c 错误.本实验是探究作用力一定时，加速度与质量成反比，不,mg m,求加速度，d 错误.,答案：b,2.如图 s4-9 所示为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意 图.沙和沙桶的总质量为 m，小车和砝码的总质量为 m.实验中用 沙和沙桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小.,图 s4-9,(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_(填正确答案标号). 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

11、点计时器通电，调节 m 的大小，使小车在沙和沙桶 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，撤去沙和沙桶，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，撤去纸带以及沙和沙,桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动,(2)如图 s4-10 所示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：xab 4.22 cm、 xbc4.65 cm、xcd5.08 cm、x

12、de5.49 cm，xef 5.91 cm，xfg6.34 cm.已知打点计时器的工作频率为 50 hz，则 小车的加速度 a_m/s2.(计算结果保留 2 位有效数字).,图 s4-10,答案：(1)b (2)0.42,考点 2 对数据处理和误差分析的考查 重点归纳,1.图象法处理数据：根据记录的a、f、m 数据，分别作a-f、,1,m,用力成正比，与质量成反比.,2.误差分析,本实验的误差主要来源于质量的测量，纸带上打点计时器 打点间隔距离的测量，拉线或纸带不与木板平行，平衡摩擦力 不准等.实验原理不完善也会造成系统误差.,a 图象，如果图象是一条过原点的直线，就证明加速度与作,典例剖析,

13、例 2：(2016 年新课标全国卷)某物理课外小组利用如图 s4-11 所示装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图 中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮； 轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬 挂钩码.本实验中可用的钩码共有 n5 个，每个质量均为 0.010 kg. 实验步骤如下：,图 s4-11,(1)将 5 个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当 厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑. (2)将 n(依次取 n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余 n-n 个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放 小车，

14、同时用传感器记录小车在时刻 t 相对于其起始位置的位 移 s，绘制 s-t 图象，经数据处理后可得到相应的加速度 a. (3)对应于不同的 n 的 a 值见下表.n2 时的 s-t 图象如图 s4-12 所示；由图可求出此时小车的加速度(计算结果保留 2 位 有效数字)，将结果填入下表.,图 s4-12,(4)利用表中的数据在图 s4-13 中补齐数据点，并作出 a-n 图象.从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其 所受的合外力成正比.,图 s4-13,中的点(2,0.80)代入 s at2 可得，a0.40 m/s2.,(5)利用 a-n 图象求得小车(空载)的质量为_kg(计算

15、,结果保留 2 位有效数字，重力加速度取 g9.8 m/s2).,(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的,是_(填正确选项前的标号),a.a-n 图线不再是直线,b.a-n 图线仍是直线，但该直线不过原点 c.a-n 图线仍是直线，但该直线的斜率变大,解析：(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将图,(4)根据描点法可得如图 s4-14 所示图线. 图 s4-14,(6)若不平衡摩擦力，则有 nmgm (5n)mg(m ,5m)a，则 a,mgmg m5m,n,mg5mg m5m,，所以 a-n 图线仍是直线，,但直线不过原点，斜率变大，故 b、c 正确. 答案：(3

16、)0.40 (4)如图所示 (5)0.45 (6)bc,【考点练透】,3.(2015 年广东深圳五校联考)“探究加速度与物体质量的,关系”的实验装置如图 s4-15 甲所示.,甲,乙,丙,图 s4-15,(1)安装实验装置时，应调整定滑轮的高度，使拉小车的细 线在实验过程中保持与 _( 填“桌面”或“长木 板”)平行.,(2)平衡摩擦力后，为了验证小车的加速度与其质量的定量 关系，必须采用_法. (3)保持小车受力不变，测量不同质量的小车在这个力作用 下的加速度.某次实验中打出如图乙所示的纸带(打点计时器电 源的频率为 50 hz)，则这个加速度 a_. (4)某同学把实验得到的几组数据画成如

17、图丙所示的 a-m 图 象，为了更直观描述物体的加速度跟其质量的关系，你应该建 议他改画 a 和_的关系图象.,答案：(1)长木板 (2)控制变量 (3)0.16 m/s2,1 (4) m,4.(2015 年福建宁德质检)某次“探究加速度 a 跟物体所受 合力 f 和质量 m 的关系”实验过程中：,甲,乙,图 s4-16 (1)如图 s4-16 甲所示为实验装置图.图乙为某次实验得到的 一段纸带，计数点 a、b、c、d、e 间的时间间隔为 0.1 s，根 据纸带可求出小车的加速度大小为_m/s2(计算结果保留 2 位有效数字).,(2)保持小车质量不变，改变沙和沙桶的质量，进行多次测 量.根据

18、实验数据作出了加速度 a 随拉力 f 的变化图象，如图 s4-17 所示.图中直线没有通过原点，其主要原因是：_,_.,图 s4-17,次测量，得到小车加速度 a、质量 m 及其对应的 的数据如表,(3)保持沙和沙桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多,1,m,中所示：,图 s4-18,答案：(1)0.43,(2)实验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分) (3)如图 d17 所示.,图 d17,合外力一定时，加速度跟质量成反比,考点 3 拓展创新实验 重点归纳 探究高考命题视角 以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器装置题目， 不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、设计性等 特点.

19、 视角 1 实验器材的改进,气垫导轨,长木板,视角 2 数据处理方法的改进 小车的加速度可以利用传感器，借助于计算机来处理,视角 3 实验方案的改进 (1)用气垫导轨和两个光电门来完成此实验 (2)实验方法的改进 如：利用力传感器测出细线拉力，消除了因 mm 得不到 满足带来的实验误差.,视角 4,以本实验为背景，结合牛顿第二定律，测量两接,触面间的动摩擦因数,典例剖析 例 3：如图 s4-19 甲所示的光电门传感器是测定瞬时速度 大小的仪器，其原理是发射端发出一束很细的红外线到接收端， 当固定在运动物体上的一个已知宽度为 d 的挡光板通过光电门 挡住红外线时，和它连接的数字计时器可记下挡光的

20、时间 t， 则可以求出运动物体通过光电门时的瞬时速度大小.,甲,丙,乙 图 s4-19,(1)为了减小测量瞬时速度的误差，应该选择宽度比较_,(填“宽”或“窄”)的挡光板.,(2)如图乙所示是某同学利用光电门传感器探究“小车加 速度与力之间关系”的实验装置，他将该光电门固定在水平轨 道上的 b 点，用不同重物通过细线拉同一小车，小车每次都从 同一位置 a 点由静止释放.,如图丙所示，用游标卡尺测出挡光板的宽度为 d_ _mm，实验时将小车从图乙中的 a 点由静止释放，由数 字计时器记下挡光板通过光电门时挡光的时间间隔t0.02 s， 则小车通过光电门时的瞬时速度大小为_m/s.,实验中设小车的

21、质量为 m1，重物的质量为 m2，则在 m1 与 m2 满足关系_时可近似认为细线对小车的拉力大小 与重物的重力大小相等.,测出多组重物的质量 m2 和对应挡光板通过光电门的时 间间隔，并算出小车经过光电门时的速度 v，通过描点作出线 性图象，研究小车的加速度与力之间的关系，如图 s4-20 所示. 处理数据时应作出_(填“vm2”或“v2m2 ”)图象.,图 s4-20,某同学在中作出的线性图象不过坐标原点，其可能的 原因是：_,_.,思维点拨：光电门会自动记录滑块通过光电门的时间，用,d,t,可以看成是瞬时速度.,解析：(1)短时间内的平均速度大小可以近似认为是该时刻 的瞬时速度大小，所以

22、应该选择宽度比较窄的挡光板. (2)游标卡尺的主尺读数为 11 mm，游标读数为 0.0510 mm0.50 mm，所以最终读数为：11 mm0.50 mm11.50 mm；,v 可以计算滑块通过光电门的平均速度，又因时间比较短，,在遮光条经过光电门时小车的瞬时速度 v 0.575 m/s.,数字计时器记录通过光电门的时间，由位移公式计算出物体通 过光电门的平均速度，用该平均速度代替物体的瞬时速度，故,d,t,该实验的研究对象是小车，采用控制变量法研究.当质量 一定时，研究小车的加速度和小车所受合外力的关系.那么小车 的合外力怎么改变和测量呢？为消除摩擦力对实验的影响，可 以把没有滑轮的木板一

23、端适当垫高，以使小车的重力沿斜面分 力和摩擦力抵消，那么小车的合力就是绳子的拉力.,根据牛顿第二定律得：,对 m2：m2gf拉m2a 对 m1：f拉m1a,当 m1m2 时，即当重物重力要远小于小车的重力，绳子的 拉力近似等于重物的总重力. 由题意可知，该实验中保持小车质量 m1 不变，因此有：,由题意可知， m1、s 不变，画出 v2m2 图象，若图象为过原 点的直线，则说明合外力和加速度成正比，故画出 v2m2 图象可 以直观的得出结论. 开始当小车挂上重物时，加速度却为零，线性图象不过 坐标原点，故导致图象不过原点的原因是木板倾角偏小，即说 明操作过程中没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足. 答案：(1)窄 (2)11.50 0.575 m1m2,v2m2,操作过程中没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不,足,备考策略：光电门、光电计时器是新引进的