高考物理一輪復(fù)習(xí) 實驗 驗證牛頓第二定律課件

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1、物理課標版第5講實驗：驗證牛頓第二定律基礎(chǔ)梳理基礎(chǔ)梳理實驗?zāi)康膶嶒災(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.掌握靈活運用圖像處理問題的方法。實驗原理控制變量法:在所研究的問題中,有兩個以上的參量在發(fā)生牽連變化時,可以控制某個或某些量不變,只研究其中兩個量之間的變化關(guān)系的方法。這也是物理學(xué)中研究問題時經(jīng)常采用的方法。本實驗中,研究的參量為F、m和a,可以控制參量m不變,研究F與a的關(guān)系,也可控制參量F不變,研究m與a的關(guān)系。實驗器材實驗器材打點計時器,紙帶及復(fù)寫紙,小車,一端附有定滑輪的長木板,小盤和砝碼,細繩,低壓交流電源,導(dǎo)線,天平,刻度尺。實驗步驟實驗步驟如

2、圖所示1.用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M0。2.把一端附有定滑輪的長木板放在實驗桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點計時器固定在長木板上遠離滑輪的一端,連接好電路。3.平衡摩擦力:小車的尾部掛上紙帶,紙帶穿過打點計時器的限位孔,將木板無滑輪的一端稍微墊高一些,使小車在不掛小盤和砝碼的情況下,能沿木板做勻速直線運動。這樣小車所受重力沿木板的分力與小車所受的滑動摩擦力平衡。在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下,可以近似認為小盤和砝碼的總重力的大小等于小車所受的合外力的大小。4.把小車停在打點計時器處,掛上小盤和砝碼,先接通電源,再讓小車拖著紙帶在木板上做勻加速運動,打出一條紙帶。計算小盤

3、和砝碼的總重力,即為小車所受的合外力,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。5.改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù),重復(fù)步驟4,并多做幾次。6.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M,并由紙帶計算出小車對應(yīng)的加速度。表(一)實驗次數(shù)加速度a/(ms-2)小車受力F/N1 2 3 4 7.改變小車上砝碼的個數(shù),重復(fù)步驟6,并將所對應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表(二)中。表(二)實驗次數(shù)加速度a/(ms-2)小車和砝碼總質(zhì)量M/kg1 2 3 4 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理1.需要計算各種情況下所對應(yīng)的小車的加速度,可使用“研究勻變速

4、直線運動”的方法:先在紙帶上標明計數(shù)點,測量各計數(shù)點間的距離,根據(jù)公式a=計算加速度。2.需要記錄各組對應(yīng)的加速度a與小車所受牽引力F,然后建立直角坐標系,用縱坐標表示加速度a,橫坐標表示牽引力F,描點畫a-F圖像,如果圖像是一條過原點的直線,便證明在質(zhì)量一定時,加速度與作用力成正比。再記錄各組對應(yīng)的加速度a與小車和砝碼總質(zhì)量M,然后建立直角坐標系,用縱坐標表示加速度a,橫坐標表示總質(zhì)量的倒數(shù),描點畫a-圖像,如果圖像是一條過原點的直線,就證明了在合外力一定時,加速度與質(zhì)量成反比。2xT1M1M注意事項注意事項1.在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,并要讓

5、小車拖著打點的紙帶運動。2.實驗步驟2、3不需要重復(fù),即整個實驗平衡了摩擦力后,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.每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠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.改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器,并應(yīng)先接通電源,再放開小車,且應(yīng)在小車到達滑輪前按住小車。5.作圖像時,要使盡可能多的點落在所作直線上,不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。6.作圖時兩軸標度比例要選擇適當,各量須采用國際單位制中單位。這樣作圖線時,坐標點間距

6、不至于過密,誤差會小些。7.為提高測量精度(1)應(yīng)舍掉紙帶上開頭比較密集的點,在后邊便于測量的地方找一個起點。(2)可以把每打五次點的時間作為時間單位,即從開始點起,每五個點標出一個計數(shù)點,而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T=0.1 s。誤差分析誤差分析1.質(zhì)量的測量誤差,紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差,細繩或紙帶不與木板平行等都會造成誤差。2.因?qū)嶒炘聿煌晟圃斐烧`差:本實驗中用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實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。小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量,誤差就越大;反之,小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,誤差就越小。3.平衡摩擦

7、力不準造成誤差:在平衡摩擦力時,除了不掛小盤外,其他的都跟正式實驗一樣(比如要掛好紙帶、接通打點計時器),勻速運動的標志是打點計時器打出的紙帶上各點的距離相等?？键c一實驗原理與操作考點一實驗原理與操作典例典例1 (2016山東濟南模擬,22)某同學(xué)利用“驗證牛頓第二定律”的實驗器材,測量滑塊和長木板之間的動摩擦因數(shù)。如圖所示,帶滑輪的長木板水平放置,力傳感器固定在墻上,輕繩分別跨過固定在滑塊上和固定在長木板末端的滑輪,一端與力傳感器連接,另一端豎直懸掛一沙桶,沙桶距地面足夠遠。調(diào)節(jié)兩滑輪的位置使輕繩與長木板平行,不計輕繩與各滑輪之間的摩擦。(1)實驗時,一定要進行的操作是 (填選項前的字母)。

8、A.將長木板右端墊高以平衡摩擦力B.使沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量C.將打點計時器接交流電源D.用天平測沙和沙桶的總質(zhì)量(2)實驗時,記錄力傳感器的示數(shù)F,用天平測出滑塊質(zhì)量m,由紙帶上的點求出加速度a。根據(jù)這些數(shù)據(jù),可以得出滑塊和木板間的動摩擦因數(shù)的表達式= 。(重力加速度為g)答案答案(1)C(2)解析解析(1)由裝置圖可知,繩中張力可通過力傳感器測出,滑塊所受拉力等于繩中張力的2倍。不需要使沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量,也不需要測量沙和沙桶的總質(zhì)量,選項B、D錯誤;由于是測量滑塊與長木板之間的動摩擦因數(shù),所以不需要將長木板右端墊高以平衡摩擦力,選項A錯誤;無論是電磁打點計時器還是電火

9、花計時器,都需要接交流電源,選項C正確。(2)對滑塊由牛頓第二定律有2F-mg=ma,解得=。2Fmamg2Fmamg某同學(xué)利用如圖所示的裝置探究小車的加速度與所受合外力的關(guān)系,具體實驗步驟如下:按照圖示安裝好實驗裝置,并測出兩光電門間距離L平衡摩擦力即調(diào)節(jié)長木板的傾角,輕推小車后,使小車沿長木板向下運動,且通過兩個光電門的時間相等取下細繩和沙桶,測量沙子和沙桶的總質(zhì)量m,并記錄把小車置于靠近滑輪的位置,由靜止釋放小車,記錄小車先后通過光電門甲和乙時顯示的時間,并計算出小車到達兩個光電門時的速度和運動的加速度重新掛上細繩和沙桶,改變沙桶中沙子的質(zhì)量,重復(fù)的步驟(1)用游標卡尺測得遮光片寬度d=

10、 cm。(2)關(guān)于本實驗的說法正確的是 。A.平衡摩擦力時要取下細繩和沙桶B.平衡摩擦力時不需要取下細繩和沙桶C.沙桶和沙子的總質(zhì)量必須遠小于小車的質(zhì)量D.小車的質(zhì)量必須遠小于沙桶和沙子的總質(zhì)量(3)若實驗中測量遮光片寬度時存在測量誤差,測量結(jié)果偏大,其他條件不變,則小車加速度的測量值 真實值。(選填“大于”或“小于”)答案答案(1)0.675(2)B(3)大于解析解析(1)遮光片的寬度d=0.6 cm+150.05 mm=0.675 cm。(2)本實驗中,沙桶和沙子的總質(zhì)量所對應(yīng)的重力即為小車做勻變速運動時所受的合外力大小,所以不需要“沙桶和沙子的總質(zhì)量必須遠小于小車的質(zhì)量”的實驗條件;同時

11、平衡摩擦力時不需要取下細繩和沙桶,選項B正確,選項A、C、D錯誤。(3)由加速度和遮光片寬度之間的數(shù)量關(guān)系可知,在保持其他實驗條件不變的前提下,加速度大小與遮光片寬度的平方成正比,所以加速度測量值大于真實值?？键c二數(shù)據(jù)處理和誤差分析考點二數(shù)據(jù)處理和誤差分析典例典例2 (2016課標,23,10分)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。圖中,置于實驗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。本實驗中可用的鉤碼共有N=5個,每個質(zhì)量均為0.010 kg。實驗步驟如下: 圖(a)(1)將5個鉤碼全部放入

12、小車中,在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊,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圖像,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圖像如圖(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。n12345a/ms-20.20 0.580.781.00(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(c)中補齊數(shù)據(jù)點,并作出a-n圖像。從圖像可以看出:當物體

13、質(zhì)量一定時,物體的加速度與其所受的合外力成正比。 圖(b) 圖(c)(5)利用a-n圖像求得小車(空載)的質(zhì)量為 kg(保留2位有效數(shù)字,重力加速度取g=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 (填入正確選項前的標號)。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C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大答案答案(3)0.39(2分。在0.370.49范圍內(nèi)都給分)(4)如圖所示(3分)(5)0.45(3分。在0.430.47范圍內(nèi)都給分)(6)BC(2分。選對一個給1分,有選錯的不給這2分)a。(5)對小車和鉤碼組成的系統(tǒng)應(yīng)用牛頓

14、第二定律:nmg=(M+Nm)a,則a=,a-n圖像的斜率k=,從而可解出M。(6)對于已平衡摩擦力的情況,對整體應(yīng)用牛頓第二定律:nmg=(M+Nm)a,則a=n;對于木板水平的情況,對整體應(yīng)用牛頓第二定律:nmg-M+(N-n)mg=(M+Nm)a,整理得:a=n-g,比較可見,B、C均正確。nmgMNm0.0980.05nM 0.0980.05M mgMNm(1) mgMNm解析解析(3)由s=at2得:a=,在s-t圖像中找一點坐標,代入公式即可求出1222st(2016河北保定調(diào)研,22)某同學(xué)為了測定木塊與小車之間的動摩擦因數(shù),設(shè)計了如下的實驗:用彈簧測力計測量帶凹槽的木塊重力,記

15、為FN1;將力傳感器A固定在水平桌面上,測力端通過輕質(zhì)水平細繩與木塊相連。另一水平輕質(zhì)細繩跨過定滑輪,一端連接小車,另一端系沙桶,不斷地緩慢向沙桶里倒入細沙,直到小車運動起來,待傳感器示數(shù)穩(wěn)定后,記錄此時數(shù)據(jù)F1;壓力FN1FN2FN3FN4FN5FN6FN7FN8FN/N1.502.002.503.003.504.004.505.00傳感器數(shù)據(jù)F1F2F3F4F5F6F7F8F/N0.590.830.991.221.421.611.792.01向凹槽中依次添加重力為0.5 N的砝碼,改變木塊與小車之間的壓力FN,重復(fù)操作。數(shù)據(jù)記錄如表:試完成:(1)在實驗過程中,是否要求平板小車必須做勻速直

16、線運動? (填“是”或“否”)。(2)為了充分測量數(shù)據(jù),該同學(xué)將所測得的數(shù)值按如下方法逐一求差,分別計算出了三個差值:f1=F5-F1=0.83 N,f2=F6-F2=0.78 N,f3=F7-F3=0.80 N,請你給出第四個差值:f4= = 。(3)根據(jù)以上差值,可以求出每增加0.50 N砝碼時摩擦力增加f。f用f1、f2、f3、f4表示的式子為:f= ,代入數(shù)擾解得f= N。(4)木塊與平板小車間的動摩擦因數(shù)= 。(3)0.2(4)0.4解析解析(1)測定木塊和平板小車間的動摩擦因數(shù),只需木塊與小車間相對滑動,木塊與小車間的摩擦力就是滑動摩擦力,所以不需要小車勻速運動。(2)f4=F8-

17、F4=0.79 N。(3)f=0.2 N。(4)根據(jù)f=FN,又FN=0.5 N,解得=0.4。123416ffff 312444444ffff123416ffff 答案答案(1)否(2)F8-F40.79 N考點三實驗改進與實驗創(chuàng)新考點三實驗改進與實驗創(chuàng)新典例典例3 (2016福建質(zhì)量檢測,12)某同學(xué)為探究加速度與合外力的關(guān)系,設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置。一端帶有定滑輪的長木板固定在水平桌面上,用輕繩繞過定滑輪及輕滑輪將小車與彈簧測力計相連。實驗中改變懸掛的鉤碼個數(shù)進行多次測量,記錄彈簧測力計的示數(shù)F,并利用紙帶計算出小車對應(yīng)的加速度a。 圖甲(1)實驗中的鉤碼的質(zhì)量可以不需要遠小于小車質(zhì)

18、量,其原因是 。A.小車所受的拉力與鉤碼的重力無關(guān)B.小車所受的拉力等于鉤碼重力的一半C.小車所受的拉力可由彈簧測力計直接測出(2)圖乙是實驗中得到的某條紙帶的一部分。已知打點計時器使用的交流電頻率為50 Hz,由紙帶數(shù)據(jù)求出小車的加速度a= m/s2。 圖乙(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出小車的加速度a與彈簧測力計示數(shù)F的關(guān)系圖像,下列圖像中最符合本實驗實際情況的是 。答案答案(1)C(2)0.75(3)B解析解析(1)小車所受的拉力可由彈簧測力計直接測出,因此實驗中鉤碼的質(zhì)量可以不需要遠小于小車質(zhì)量,選項C正確。(2)由x=aT2和逐差法,T=5 s=0.1 s,可得a=10-2 m/s2=0.75

19、 m/s2。(3)由于實驗時沒有平衡摩擦力,當拉力達到一定值時,小車才會運動,當小車運動起來后,對小車受力分析,水平方向小車受繩的拉力F繩=2F,滑動摩擦力Ff,由牛頓第二定律有:2F-Ff=ma,則a=F-,則知四個圖像中符合本實驗實際情況的是圖像B。15023.35 1.852 0.12mfFm(2014課標,22,6分)某同學(xué)利用圖(a)所示實驗裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼的質(zhì)量m的對應(yīng)關(guān)系圖,如圖(b)所示。實驗中小車(含發(fā)射器)的質(zhì)量為200 g,實驗時選擇了不可伸長的輕質(zhì)細繩和輕定滑輪,小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機得到,回答下列問題: 圖(a) 圖(b

20、)(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 (填“線性”或“非線性”)關(guān)系。(2)由圖(b)可知,a-m圖線不經(jīng)過原點,可能的原因是 。(3)若利用本實驗裝置來驗證“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,則實驗中應(yīng)采取的改進措施是 。鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是 。答案答案(1)非線性(2)存在摩擦力(3)調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力遠小于小車的質(zhì)量是存在摩擦力。(3)若將鉤碼所受重力作為小車所受合力,則應(yīng)滿足三個條件,一是摩擦力被平衡,二是繩平行于軌道平面,此二者可保證繩對車的拉力等于車所受合力,設(shè)繩的拉力為T,由mg-T=ma、T=Ma有T=g=,可見當mM時才有Tmg,故第三個條件為mM。mMMm1mgmM解析解析(1)將圖(b)中各點連線,得到的是一條曲線,故a與m的關(guān)系是非線性的。(2)由圖(b)可知,當鉤碼質(zhì)量不為零時,在一定范圍內(nèi)小車加速度仍為零,即鉤碼對小車的拉力大于某一數(shù)值時小車才產(chǎn)生加速度,故可能的原因