验证牛顿运动定律实验四.ppt

1、实验四验证牛顿运动定律,本节目录,基础理论储备,知能优化演练,创新实验评析,经典例题展示,实验目的 1学会用控制变量法研究物理规律 2验证牛顿运动定律 3掌握利用图象处理数据的方法 实验原理 探究加速度a与力F及质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法，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，再控制砝码和小盘的质量不变，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、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺,实验步骤 1用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0. 2按照

2、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,这时小车拖着纸带运动时受到的摩擦力恰好与小车所受重力在斜面方向上的分力平衡 4把细绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小盘，小盘里放砝码，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点计算小盘和砝码的重力，在小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下,可以认为等于小车所受的合外力,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

3、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 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),表(二),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,

4、并要让小车拖着纸带匀速运动 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，且应在小车到达定滑轮前按住小车 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地分布在所作直线的两侧 6作图时两轴标度比例要适当，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 (1)应舍掉纸带上

5、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，则相邻计数点间的时间间隔为T0.1 s.,拓展创新 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,考点1对实验操作与原理的考查 (2012高考安徽卷)如图甲为“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.实验中用砂和砂桶的总重力的大小作为细线对小车拉力的大小 甲,(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

6、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 () AM200 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g BM200 g，m20 g

7、、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g CM400 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g DM400 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g,(3)如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：sAB4.22 cm、sBC4.65 cm、sCD5.08 cm、sDE5.49 cm、sEF5.91 cm、sFG6.34 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(结果保留2位有效数字) 乙,【答

8、案】(1)B(2)C(3)0.42,考点2实验数据的处理和误差分析 (2013南平模拟)某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验图为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重量,(1)在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图象(如图甲所示)请继续帮助该同学作出坐标系中的图象 甲乙 (2)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图乙，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过

9、坐标原点的原因,【解析】(1)将坐标系中各点连成一条 直线，连接时应使直线过尽可能多的点， 不在直线上的点应大致对称地分布在直 线的两侧，离直线较远的点应视为错误 数据，不予考虑，连线如图所示 (2)图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 【答案】(1)见解析(2)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够,【范例】如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有砂子砂桶的总质量(包括桶以及桶内砂子质量)记为m，小车的总质量(包括车、盒子及盒内砂子质量)记为M.,(1)验证在质量不变的情况下，加速度与合力成正比从盒子中取出一些砂子，装入砂桶中，称量并记录砂桶

10、的总重力mg，将该力视为合力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出多次改变合力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度本次实验中，桶内的砂子取自小车中，故系统的总质量不变以合力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出aF图象，图象是一条过原点的直线,aF图象斜率的物理意义是_ 你认为把砂桶的总重力mg当做合力F是否合理？ 答：_.(选填“合理”或“不合理”) 本次实验中，是否应该满足Mm这样的条件？ 答：_(选填“是”或“否”)； 理由是_,(2)验证在合力不变的情况下，加速度与质量成反比保持桶内砂子质量m不变，在盒子内添加或去掉一些砂子，验证加速度与质量的关系本次实验中，桶内的砂子总质量不变，故系

11、统所受的合力不变用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以_的倒数为横轴 【思路点拨】将研究对象小车转移为小车与砂桶组成的系统进行研究,【名师点评】该实验的创新点是研究对象的变化，即以小车和砂桶组成的系统为研究对象,使实验原理更加完善，减小了系统误差,本部分内容讲解结束,按ESC键退出全屏播放,必修2 第4章机械能及其守恒定律,2014高考导航,第1讲功和功率,本节目录,基础再现对点自测,知能演练轻巧夺冠,考点探究讲练互动,技法提炼思维升华,要点透析直击高考,知识清单 一、功 1做功的两个必要条件：_和物体在力的方向上发生的_. 2公式：W_.适用于_做功其中为F、l方向间夹角，l为物体对地

12、的位移,力,位移,Fscos,恒力,3功的正负判断 特别提示：功是标量，比较做功多少看功的绝对值,二、功率 1定义：功与完成这些功所用时间的_ 2物理意义：描述力对物体做功的_ 3公式 (1)定义式：P_，P为时间t内的_ (2)推论式：P_.(为F与v的夹角) 4额定功率：机械_时输出的最大功率 5实际功率：机械_时输出的功率，要求_额定功率,比值,快慢,平均功率,Fvcos,正常工作,实际工作,小于或等于,热身体验,12.一人乘电梯从1楼到20楼，在此过程中经历了先加速、后匀速、再减速的运动过程，则电梯支持力对人做功的情况是() A加速时做正功，匀速时不做功，减速时做负功 B加速时做正功，

13、匀速和减速时做负功 C加速和匀速时做正功，减速时做负功 D始终做正功,2位于水平面上的物体在水平恒力F1作用下，做速度为v1的匀速运动；若作用力变为斜向上的恒力F2，物体做速度为v2的匀速运动，且F1与F2功率相同则可能有() AF2F1时，一定有v1v2 BF2F1时，一定有v1v2 CF2F1时，一定有v1v2 DF2F1时，一定有v1v2,热身体验答案与解析 11.答案：B 12.解析：选D.在加速、匀速、减速的过程中，支持力与人的位移方向始终相同，所以支持力始终对人做正功故选D. 2解析：选B.设F2与水平方向成角，由题意可知：F1v1F2v2cos，因cos1，故F1v1F2v2.当

14、F2F1时，一定有v1v2，故选项A错误、B正确当F2F1时，有v1v2、v1v2、v1v2三种可能，故选项C错误当F2F1时，一定有v1v2，故D选项错误,一、功的计算 1恒力做功的计算 用公式WFlcos计算，其中F为恒力，l是物体相对地面的位移，而不是相对于和它接触的物体的位移 2变力做功的计算 (1)用动能定理WEk计算 (2)当变力做功的功率一定时，用功率和时间计算：WPt. (3)将变力做功转化为恒力做功,3总功的计算 (1)先求合外力F合，再应用公式W合F合lcos求功，其中为合力F合与位移的夹角一般适用于整个过程中合力恒定不变的情况 (2)分别求出每个力的功W1、W2、W3，再

15、应用W合W1W2W3求合外力的功这种方法一般适用于在整个过程中，某些力分阶段作用的情况,即时应用1静止在水平地面上的物体，同时受到水平面内两个互相垂直的拉力F1、F2的作用，由静止开始运动了2 m，已知F16 N，F28 N，则() AF1做功12 J BF2做功16 J CF1、F2的合力做功28 J DF1、F2做的总功20 J,特别提醒：对于变化的不能用PFvcos计算平均功率.,2求解思路 (1)首先要明确所求功率是平均功率还是瞬时功率，对应于某一过程的功率为平均功率，对应于某一时刻的功率为瞬时功率 (2)求瞬时功率时，如果F与v不同向，可用力F乘以F方向的分速度，或速度v乘以速度方向

16、的分力求解,即时应用2宇航员在进行素质训练时，抓住秋千杆由水平状态开始下摆，到达竖直状态的过程中，如图所示,宇航员所受重力的瞬时功率变化情况是() A一直增大 B一直减小 C先增大后减小 D先减小后增大 解析：选C.在水平状态时，v0，则P0，竖直状态时vmg则P0，在其他位置时P0,故瞬时功率先增后减，C正确,三、机车两种启动方式的比较 1两种启动方式比较,即时应用3 (2013西工大附中高三模拟)当前我国“高铁”事业发展迅猛假设一辆高速列车在机车牵引力和恒定阻力作用下，在水平轨道上由静止开始启动，其vt图象如图所示，已知在0t1时段为过原点的倾斜直线，t1时刻达到额定功率P，此后保持功率P

17、不变，在t3时刻达到最大速度v3，以后匀速运动下述判断正确的是(),【思路点拨】WFlcos可以理解为功等于力与力同方向位移的乘积,【解析】如图，小球在F方向的位移为CB，方向与F同向，则 WFFCBFLsin 小球在重力方向的位移为AC，方向与重 力反向，则 WGmgACcos180mgL(1cos) 绳的拉力FT时刻与运动方向垂直，则 WFT0 故W总WFWGWFTFLsinmgL(1cos) 【答案】见解析 【规律总结】恒力做功与物体的实际路径无关，等于力与物体在力方向上位移的乘积，或等于力在位移方向上的分力与位移的乘积，注意力的正负,考点2功率的计算 如图所示，水平传送带正以2 m/s

18、的速度运行，两端水平距离l8 m，把一质量m2 kg的一个物块轻轻放到传送带的A端，物块在传送带的带动下向右运动，若物块与传送带间的动摩擦因数0.1，不计物块的大小，g取10 m/s2，则把这个物块从A端传送到B端的过程中，摩擦力对物块做功的最大功率和平均功率各是多少？,【答案】4 W0.8 W,(1)根据图线ABC，判断该电动车做什么运动，并计算电动车的额定功率； (2)求此过程中电动车做匀加速直线运动的加速度的大小； (3)电动车由静止开始运动,经过多长时间速度达到v12 m/s? 【解析】(1)分析图线可知：图线AB段代表的过程为牵引力F不变，阻力Ff不变，电动车由静止开始做匀加速直线运

19、动；图线BC段的斜率表示电动车的功率P，P不变为额定功率，达到额定功率后，则电动车所受牵引力逐渐减小，做加速度减小的变加速直线运动，直至达最大速度15 m/s；此后电动车做匀速直线运动,【答案】(1)AB段表示电动车做匀加速直线运动，BC段表示电动车做加速度逐渐减小的变加速直线运动6103 W(2)2 m/s2(3)1 s,【规律总结】分析机车启动问题时应注意： (1)机车启动的方式不同，机车运动的规律就不同，因此机车启动时，其功率、速度、加速度、牵引力等物理量的变化规律也不相同 (2)恒定功率下的加速一定不是匀加速，这种加速过程发动机做的功可用WPt计算，不能用WFl计算(因为F为变力)； (3)以恒定牵引力加速时的功率一定不恒定，这种加速过程发动机做的功常用WFl计算，不能用WPt计算(因为功率P是变化的),方法技巧