物理實(shí)驗(yàn)4 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律

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1、實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)4 4驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律-2-一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律。2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。3.掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.保持質(zhì)量不變,探究加速度跟合外力的關(guān)系。2.保持合外力不變,探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。3.作出a-F圖象和a- 圖象,確定其關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計時器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平、刻度尺、砝碼。-3-四、實(shí)驗(yàn)步驟1.稱量質(zhì)量用天平測量小盤的質(zhì)量m1和小車的質(zhì)量m2。2.安裝器材按照如圖所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好,只是不把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上(即不給小車牽引力

2、)。3.平衡摩擦力在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊,反復(fù)移動薄木塊的位置,直至小車能拉著紙帶勻速下滑。-4-4.測量加速度(1)保持小車的質(zhì)量不變,把小車靠近打點(diǎn)計時器,掛上小盤和砝碼,先接通電源,再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑,打出一條紙帶。計算小盤和砝碼的重力,即為小車所受的合力,由紙帶計算出小車的加速度,并把力和對應(yīng)的加速度填入表(一)中。改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù),并多做幾次。(2)保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變,在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量,讓小車在木板上滑動打出紙帶。計算砝碼和小車的總質(zhì)量m0,并由紙帶計算出小車對應(yīng)的加速度,并將所對應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表(二)中。改變小車上砝

3、碼的個數(shù),并多做幾次。-5-6-7-五、數(shù)據(jù)處理1.計算加速度先在紙帶上標(biāo)明計數(shù)點(diǎn),測量各計數(shù)點(diǎn)間的距離,根據(jù)逐差法計算各條紙帶對應(yīng)的加速度。2.作圖象找關(guān)系根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車所受牽引力F,建立直角坐標(biāo)系,描點(diǎn)畫a-F圖象,如果圖象是一條過原點(diǎn)的傾斜直線,便證明加速度與作用力成正比;根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車和砝碼總質(zhì)量m0,建立直角坐標(biāo)系,描點(diǎn)畫a- 圖象,如果圖象是一條過原點(diǎn)的傾斜直線,就證明了加速度與質(zhì)量成反比。-8-六、誤差分析1.測量誤差(1)質(zhì)量的測量。(2)打點(diǎn)間隔距離的測量。2.操作誤差(1)拉線或紙帶與木板不平行。(2)傾斜角度不當(dāng),平衡摩擦力不到位。

4、3.原理誤差本實(shí)驗(yàn)中用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實(shí)際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力),存在系統(tǒng)誤差。-9-七、注意事項1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力時,不要將懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,且要讓小車拖著紙帶勻速運(yùn)動。2.不重復(fù)平衡摩擦力:整個實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后,不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力。3.實(shí)驗(yàn)條件:每條紙帶都必須在滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量的條件下打出,只有如此,小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力。4.一先一后一按住:改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計時器,

5、先接通電源,再放開小車,且在小車到達(dá)定滑輪前按住小車。5.作圖:作圖時,兩坐標(biāo)軸的比例要適當(dāng),使盡可能多的點(diǎn)落在所作直線上,不在直線上的點(diǎn)盡可能對稱地分布在所作直線兩側(cè)。-10-平衡摩擦力后,改變小車和砝碼的總質(zhì)量,為什么不需要再次平衡摩擦力?提示：設(shè)平衡摩擦力時,長木板與水平桌面的夾角為,小車和砝碼總質(zhì)量為m,總是有mgsin =mgcos ,無論m多大,等式總是成立,所以不需要再次平衡摩擦力。-11-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)原理與操作實(shí)驗(yàn)原理與操作例1圖甲為驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。沙和沙桶的總質(zhì)量為m,小車和砝碼的總質(zhì)量為m0。實(shí)驗(yàn)中用沙和沙桶總重力的大小作為細(xì)線對小車?yán)Φ拇笮　?/p>

6、-12-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(1)實(shí)驗(yàn)中,為了使細(xì)線對小車的拉力等于小車所受的合外力,先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細(xì)線與長木板平行。接下來還需要進(jìn)行的一項操作是(填正確答案標(biāo)號)。 A.將長木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計時器的紙帶,給打點(diǎn)計時器通電,調(diào)節(jié)m的大小,使小車在沙和沙桶的牽引下運(yùn)動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動B.將長木板的另一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計時器的紙帶,撤去沙和沙桶,給打點(diǎn)計時器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動C.將長木板的另一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?撤去紙帶以及沙和沙桶,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動 答案解析解析關(guān)閉(1

7、)小車在運(yùn)動過程中受到重力、支持力、紙帶的阻力、木板對小車的摩擦力和細(xì)線拉力的作用,為了使細(xì)線對小車的拉力等于小車所受的合力,因此應(yīng)把木板的另一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?使重力、支持力、紙帶的阻力和摩擦力的合力為零,即小車做勻速運(yùn)動,因此在進(jìn)行這一操作時,不應(yīng)掛沙桶,小車應(yīng)連接紙帶,選項A、C錯誤,B正確。 答案解析關(guān)閉B-13-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(2)實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行質(zhì)量m和m0的選取,以下最合理的一組是(填正確答案標(biāo)號)。 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

8、=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 答案解析解析關(guān)閉(2)由于繩子的拉力不易測量,本實(shí)驗(yàn)中用沙和沙桶的總重力來代替繩的拉力,而沙桶做加速運(yùn)動,設(shè)加速度大小為a,則FT=m(g-a),當(dāng)沙桶的加速度很小時,FT近似等于mg,因此實(shí)驗(yàn)中應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)條件,使沙桶的加速度很小。只有當(dāng)小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于沙和沙桶的總質(zhì)量時,小車和沙桶的加速度才很小,繩的拉力才近似等于沙和沙桶的總重力。選項C正確。 答案解析關(guān)閉C-14-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三特別提醒1.實(shí)驗(yàn)操作步驟注意事項(1

9、)平衡小車的滑動摩擦力時,沙桶不能拴在小車上。(2)改變小車質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力。(3)實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)先接通電源,再放開小車。2.實(shí)驗(yàn)原理的理解(1)平衡小車摩擦力后,細(xì)繩的拉力即為小車的合外力。(2)只有滿足沙桶及桶內(nèi)沙的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和小車上砝碼的總質(zhì)量時,細(xì)繩的拉力才近似等于沙桶及桶內(nèi)沙的總重力。-15-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三數(shù)據(jù)處理與誤差分析數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2一小組的同學(xué)用如圖甲所示裝置做探究物體質(zhì)量一定時,加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。-16-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(1)下列說法正確的有。 A.平衡摩擦力時,用細(xì)線一端掛空砝碼盤,另一端與小車相連,將木板適當(dāng)傾斜,使小車在木板上近似做

10、勻速直線運(yùn)動B.每次改變砝碼及砝碼盤總質(zhì)量之后,應(yīng)重新平衡摩擦力C.應(yīng)讓砝碼及砝碼盤總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小車及里面鉤碼的總質(zhì)量D.砝碼及砝碼盤總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車及里面鉤碼總質(zhì)量時,可以近似認(rèn)為小車受到的拉力等于砝碼及砝碼盤的重力 答案解析解析關(guān)閉(1)平衡摩擦力時,應(yīng)將細(xì)線從小車上取下,輕輕推動小車,使小車沿木板運(yùn)動,通過打點(diǎn)計時器打出來的紙帶判斷小車是否勻速運(yùn)動,A錯誤;每次改變砝碼及砝碼盤總質(zhì)量之后,不需要重新平衡摩擦力,B錯誤;應(yīng)讓砝碼及砝碼盤總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車及里面鉤碼的總質(zhì)量,C錯誤;砝碼及砝碼盤總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車及里面鉤碼的總質(zhì)量時,可以近似認(rèn)為小車受到的拉力等于砝碼及砝碼盤的重力,D正確。 答

11、案解析關(guān)閉D-17-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(2)圖乙a為實(shí)驗(yàn)中按規(guī)范操作打出的一條紙帶的一部分,從比較清晰的點(diǎn)跡起,在紙帶上標(biāo)出了連續(xù)的5個計數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E,相鄰兩計數(shù)點(diǎn)之間有4個計時點(diǎn)沒有標(biāo)出,用刻度尺分別測量出A點(diǎn)到B、C、D、E的距離如圖乙所示。已知打點(diǎn)計時器接在頻率為50 Hz的交流電源上。則此次實(shí)驗(yàn)中小車運(yùn)動加速度的測量值a= m/s2。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-18-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(3)某同學(xué)平衡摩擦力后,改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量,分別測量出小車的加速度a,以砝碼盤及砝碼的重力F為橫坐標(biāo),以小車的加速度a為縱坐標(biāo),得到如圖乙b所示的a-F圖線。

12、圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的主要原因是。 答案解析解析關(guān)閉由題圖可以看出,當(dāng)F=0時,a0,也就是說當(dāng)細(xì)線上沒有拉力時,小車就有加速度,這是平衡摩擦力時木板傾角偏大,即平衡摩擦力過度引起的。 答案解析關(guān)閉平衡摩擦力過度-19-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三規(guī)律總結(jié)1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法圖象法、化曲為直法(1)探究加速度與力的關(guān)系以加速度a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo),根據(jù)測量的數(shù)據(jù)描點(diǎn),然后作出圖象,看圖象是否是通過原點(diǎn)的直線,就能判斷a與F是否成正比。(2)探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系以a為縱坐標(biāo)、m為橫坐標(biāo),根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn),將會得到如圖甲所示的一條曲線。由圖線只能看出m增大時a減小,但a與m具體是什么關(guān)系,不易

13、得出。若以a為縱坐標(biāo)、 為橫坐標(biāo),將會得到如圖乙所示的一條過原點(diǎn)的傾斜直線,據(jù)此可判斷a與m成反比。-20-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(3)方法總結(jié)利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)中常用的重要方法。在實(shí)驗(yàn)中如果發(fā)現(xiàn)一個量x與另一個量y成反比,那么,x就應(yīng)與 成正比。因?yàn)樵谔幚頂?shù)據(jù)時,判斷一條圖線是否為正比例函數(shù)圖象比判斷其是否為反比例函數(shù)圖象要簡單和直觀得多,所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)的直線進(jìn)行處理。-21-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三2.誤差分析(1)質(zhì)量的測量誤差、紙帶上點(diǎn)間距離的測量誤差、拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差。(2)因?qū)嶒?yàn)原理不完善造成誤差:本實(shí)驗(yàn)中用重物的重力代替小車受到的拉力

14、(實(shí)際上小車受到的拉力要小于重物的重力),存在系統(tǒng)誤差。重物質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量,誤差就越大;反之,重物質(zhì)量越遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量,誤差就越小。(3)平衡摩擦力不準(zhǔn)造成誤差:在平衡摩擦力時,除了不掛重物外,其他的都跟正式實(shí)驗(yàn)一樣(比如要掛好紙帶、接通打點(diǎn)計時器),勻速運(yùn)動的標(biāo)志是打點(diǎn)計時器打出的紙帶上各點(diǎn)的距離相等。-22-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新以本實(shí)驗(yàn)為背景,通過改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理設(shè)置題目,或者通過實(shí)驗(yàn)原理的拓展來設(shè)置題目。一、實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)-23-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三二、數(shù)據(jù)測量的改進(jìn)三、實(shí)驗(yàn)的拓展延伸以驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律為背景測量物塊與木板間的動摩

15、擦因數(shù)。-24-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三例3(2016全國理綜丙)某物理課外小組利用圖(a)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。置于實(shí)驗(yàn)臺上的長木板水平放置,其右端固定一輕滑輪,輕繩跨過滑輪,一端與放在木板上的小滑車相連,另一端可懸掛鉤碼。本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N=5個,每個質(zhì)量均為0.010 kg。實(shí)驗(yàn)步驟如下:-25-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(1)將5個鉤碼全部放入小車中,在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊,使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑。(2)將n(依次取n=1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端,其余N-n個鉤碼仍留在小車內(nèi);用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車,同時用傳感器

16、記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s,繪制s-t圖象,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a。(3)對應(yīng)于不同的n的a值見下表。n=2時的s-t圖象如圖(b)所示:由圖(b)求出此時小車的加速度(保留2位有效數(shù)字),將結(jié)果填入下表。-26-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(c)中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn),并作出a-n 圖象。從圖象可以看出:當(dāng)物體質(zhì)量一定時,物體的加速度與其所受的合外力成正比。-27-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為 kg(保留2位有效數(shù)字,重力加速度g取9.8 ms-2)。 (6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1),下列說法正確的是(填入正確選項前的

17、標(biāo)號)。 A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線,但該直線不過原點(diǎn)C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大解析： (3)小滑車釋放后做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動,滿足x= at2由圖(b)知,當(dāng)x=0.8 m時,t=2.00 s,代入式解得a=0.40 m/s2-28-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(4)描點(diǎn)作圖a-n圖線如圖: -29-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三(5)對鉤碼與小滑車組成的系統(tǒng)有nmg=(m+5m)a解得m=0.45 kg。(6)若木板保持水平,則對系統(tǒng)由牛頓第二定律得nmg-m+(N-n)mg=(m+Nm)a由此知圖線不過原點(diǎn),且斜率增大,故B、C選項正確。答案： (3)0.40(0.

18、370.49均對)(4)a-n圖線見解析(5)0.45(0.430.47均對)(6)BC-30-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三例4圖甲為測量物塊與水平桌面之間動摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)步驟如下:甲用天平測量物塊和遮光片的總質(zhì)量m0,重物的質(zhì)量m,用游標(biāo)卡尺測量遮光片的寬度d,用刻度尺測量兩光電門之間的距離x;調(diào)整輕滑輪,使細(xì)線水平;讓物塊從光電門A的左側(cè)由靜止釋放,用數(shù)字毫秒計分別測出遮光片經(jīng)過光電門A和光電門B所用的時間tA和tB,求出加速度a;多次重復(fù)步驟,求a的平均值 ;根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出動摩擦因數(shù)。-31-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三回答下列問題:(1)測量d時,某次游標(biāo)卡尺(主尺的最小分度為1 m

19、m)的示數(shù)如圖乙所示。其讀數(shù)為 cm。 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-32-考點(diǎn)一考點(diǎn)二考點(diǎn)三特別提醒本實(shí)驗(yàn)還可以從以下兩個方面創(chuàng)新(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新:測木塊與木板間的動摩擦因數(shù);(2)實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新:利用位移傳感器測物體移動位移;利用傳感器測物體的速度或加速度。-33-1231.(2016福建寧德質(zhì)檢)某次探究加速度a跟物體所受合力F和質(zhì)量m的關(guān)系實(shí)驗(yàn)。(1)圖甲所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的一段紙帶,計數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E間的時間間隔為0.1 s。根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為 m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。 -34-123(2)保持小車質(zhì)量不變,改變沙和沙桶質(zhì)量,進(jìn)行

20、多次測量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a隨拉力F的變化圖線,如圖丙所示。圖中直線沒有通過原點(diǎn),其主要原因是。 -35-123(3)保持沙和沙桶質(zhì)量不變,改變小車中砝碼質(zhì)量,進(jìn)行多次測量,得到小車加速度a、質(zhì)量m及其對應(yīng)的 的數(shù)據(jù)如表中所示:-36-123a.請在圖丁坐標(biāo)紙中畫出a- 圖線。丁b.根據(jù)作出的a- 圖象可以得到的結(jié)論是。 答案 答案關(guān)閉-37-1232.某同學(xué)利用圖甲所示實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼質(zhì)量m的對應(yīng)關(guān)系圖,如圖乙所示。實(shí)驗(yàn)中小車(含發(fā)射器)的質(zhì)量為200 g,實(shí)驗(yàn)時選擇了不可伸長的輕質(zhì)細(xì)繩和輕定滑輪,小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機(jī)得到?；卮鹣?/p>

21、列問題:-38-123(1)根據(jù)該同學(xué)的結(jié)果,小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成(選填“線性”或“非線性”)關(guān)系。 (2)由圖乙可知,a-m圖線不經(jīng)過原點(diǎn),可能的原因是。 (3)若利用本實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證“在小車質(zhì)量不變的情況下,小車的加速度與作用力成正比”的結(jié)論,并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力,則實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取的改進(jìn)措施是。鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是。 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-39-1233.某同學(xué)用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置測量物塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)。已知打點(diǎn)計時器所用電源的頻率為50 Hz,物塊下滑過程中所得到的紙帶的一部分如圖乙所示,圖中標(biāo)出了五個連續(xù)點(diǎn)之間的距離。-40-123(1)物塊下滑時的加速度a= m/s2,打C點(diǎn)時物塊的速度v= m/s;(2)已知重力加速度大小為g,為求出動摩擦因數(shù),還必須測量的物理量是(填正確答案標(biāo)號)。 A.物塊的質(zhì)量B.斜面的高度C.斜面的傾角 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉