2019-2020年高考物理一輪復習講義 驗證牛頓運動定律.doc

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2019-2020年高考物理一輪復習講義 驗證牛頓運動定律 【實驗目的】 1．學會用控制變量法研究物理規(guī)律． 2．驗證牛頓運動定律． 3．掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法． 【實驗原理】 探究加速度a與力F及質量M的關系時，應用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量——小車的質量M不變，討論加速度a與力F的關系，再控制砝碼和小盤的質量不變，即力F不變，改變小車質量M，討論加速度a與M的關系． 【實驗器材】 打點計時器、紙帶、復寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、砝碼、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺． 一、實驗步驟 1．用天平測量小盤的質量m0和小車的質量M0. 2．把一端附有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滑動摩擦力平衡．在保證小盤和砝碼的質量遠小于小車質量的條件下，可以近似認為小盤和砝碼的總重力大小等于小車所受的合外力的大?。? 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，即為小車所受的合外力，由紙帶計算出小車的加速度，并把力和對應的加速度記錄在紙帶上(或表格中)． 5．改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù)，重復步驟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量，讓小車在木板上滑動打出紙帶．計算砝碼和小車的總質量M，并由紙帶計算出小車對應的加速度． 7．改變小車上砝碼的個數(shù)，重復步驟6，所對應的質量和加速度也需記錄． 二、數(shù)據(jù)處理 1．把小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中： 由以上數(shù)據(jù)畫出它的a－F關系圖象如下圖所示． 通過a－F關系圖象，我們可以得出小車的加速度a與力F成正比 2．把不同質量的小車在相同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中： 三、實驗中應注意的事項 1．一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力．在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運動． 2．實驗步驟2、3不需要重復，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量還是改變小車和砝碼的總質量，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量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出．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．改變拉力和小車質量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再放開小車，且應在小車到達滑輪前按住小車． 5．作圖象時，要使盡可能多的點在所作直線上，不在直線上的點應盡可能對稱分布在所作直線兩側． 6．作圖時兩軸標度比例要選擇適當．各量須采用國際單位，這樣作圖線時，坐標點間距不至于過密，誤差會小些． 7．為提高測量精度，可以采取下列措施： (1)應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，每隔四個點標出一個計數(shù)點，而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T＝0.1秒 四、誤差分析及實驗改進 1．誤差分析 (1)質量的測量誤差，紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差，拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差． (2)因實驗原理不完善造成誤差：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，小盤和砝碼的總質量越接近小車的質量，誤差就越大；反之，小盤和砝碼的總質量越小于小車的質量，誤差就越小． (3)平衡摩擦力不準造成誤差：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． 2．實驗改進 本實驗中可以用氣墊導軌來代替長木板，這樣就省去了平衡小車摩擦力的麻煩，小車的加速度也可以利用傳感器，借助于計算機來處理． 【實驗典例精析】 1、 實驗原理和誤差分析 例1、(xx年高考上海卷)如圖所示為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機)研究加速度和力的關系”的實驗裝置． (1)在該實驗中必須采用控制變量法，應保持________不變，用鉤碼所受的重力作為________，用DIS測小車的加速度． (2)改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復測量．在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a－F關系圖線(如圖所示)． ①分析此圖線的OA段可得出的實驗結論是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. ②(單選題)此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是(　　) A．小車與軌道之間存在摩擦 B．導軌保持了水平狀態(tài) C．所掛鉤碼的總質量太大 D．所用小車的質量太大 【答案】　(1)小車的總質量(或：小車的質量) 小車所受外力(或：外力、合外力) (2)①在質量不變的條件下，加速度與合外力成正比?、贑 二、實驗數(shù)據(jù)的處理 例2、(xx年六安模擬)某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置來探究當合外力一定時，物體運動的加速度與其質量之間的關系． (1)由圖中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x＝24 cm，由圖中游標卡尺測得遮光條的寬度d＝________cm.該實驗小組在做實驗時，將滑塊從圖所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器可以讀出遮光條通過光電門1的時間Δt1，遮光條通過光電門2的時間Δt2，則滑塊經(jīng)過光電門1時的瞬時速度的表達式v1＝________，滑塊經(jīng)過光電門2時的瞬時速度的表達式v2＝________，則滑塊的加速度的表達式a＝________.(以上表達式均用字母表示) (2) 在本次實驗中，實驗小組通過改變滑塊質量總共做了6組實驗，得到如表所示的實驗數(shù)據(jù)．通過分析表中數(shù)據(jù)后，你得出的結論是________． (3)現(xiàn)需通過圖象進一步驗證你的結論，請利用表格數(shù)據(jù)，在圖所示坐標系中描點作出相應圖象． 【解析】　(1)由圖可知：d＝5 mm＋0.1 mm2＝5.2 mm＝0.52 cm. (2)在合外力不變的情況下，物體運動的加速度跟物體的質量成反比，當合外力一定時，在誤差允許的范圍內(nèi)，物體質量和加速度的乘積近似相等． (3)如圖所示 xx屆高三物理一輪精細化復習測試題（驗證牛頓運動定律） 1、1．在利用打點計時器和小車來做“驗證牛頓第二定律”的實驗時，下列說法中不正確的是(　　) A．平衡摩擦力時，應將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過定滑輪拴在小車上 B．連接砝碼盤和小車的細繩應跟長木板保持平行 C．平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動 D．小車釋放前應靠近打點計時器，且應先接電源再釋放小車 2．關于驗證牛頓第二定律的實驗，下列說法中符合實際的是(　　) A．通過同時改變小車的質量m及受到的拉力F的研究，能歸納出加速度、力、質量三者之間的關系 B．通過保持小車質量不變，只改變小車的拉力的研究，就可以歸納出加速度、力、質量三者之間的關系 C．通過保持小車受力不變，只改變小車質量的研究，就可以得出加速度、力、質量三者之間的關系 D．先不改變小車質量，研究加速度與力的關系；再不改變力，研究加速度與質量的關系，最后歸納出加速度、力、質量三者之間的關系 3．(xx年福建三明市模擬)用如圖所示的裝置做“驗證牛頓第二定律”實驗，甲同學根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的小車的加速度a和小車所受拉力F的圖象為圖中的直線Ⅰ，乙同學畫出的aF圖象為下圖中的直線Ⅱ.直線Ⅰ、Ⅱ在縱軸或橫軸上的截距較大，明顯超出了誤差范圍，下面給出了關于形成這種情況原因的四種解釋，其中可能正確的是(　　) A．實驗前甲同學沒有平衡摩擦力 B．甲同學在平衡摩擦力時，把長木板的末端抬得過高了 C．實驗前乙同學沒有平衡摩擦力 D．乙同學在平衡摩擦力時，把長木板的末端抬得過高了 4.如圖所示是在驗證牛頓第二定律實驗中，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描繪出的三條a－F圖線，下列說法中正確的是(　　) A．三條傾斜直線所對應繩的拉力相同 B．三條傾斜直線所對應的小車和砝碼的總質量不同 C．直線1對應的小車和砝碼的總質量最大 D．直線3對應的小車和砝碼的總質量最大 5．在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，在研究加速度a與小車的質量M的關系時，由于沒有注意始終滿足M?m的條件，結果得到的圖象應是圖中的(　　) 6.(xx年池州模擬)如圖所示，在驗證牛頓第二定律的演示實驗中，若1、2兩個相同的小車所受拉力分別為F1、F2，車中所放砝碼的質量分別為m1、m2，打開夾子后經(jīng)過相同的時間兩車的位移分別為x1、x2，則在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，有(　　) A．當m1＝m2、F1＝2F2時，x1＝2x2 B．當m1＝m2、F1＝2F2時，x2＝2x1 C．當m1＝2m2、F1＝F2時，x1＝2x2 D．當m1＝2m2、F1＝F2時，x2＝2x1 7．(xx年高考江蘇卷)“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置如圖甲所示． (1)在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中，打出了一條紙帶如圖乙所示．計時器打點的時間間隔為0.02 s．從比較清晰的點起，每5個點取一個計數(shù)點，量出相鄰計數(shù)點之間的距離．該小車的加速度a＝__________ m/s2.(結果保留兩位有效數(shù)字) (2)平衡摩擦力后，將5個相同的砝碼都放在小車上．掛上砝碼盤，然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度．小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數(shù)據(jù)如下表： 砝碼盤中砝碼總重力F(N) 0.196 0.392 0.588 0.784 0.980 加速度a(ms－2) 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出a－F的關系圖象． (3)根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的a－F圖線不通過原點．請說明主要原因． 8．(xx年高考山東卷)某同學設計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關系．彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接．在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動摩擦力的大?。賹⒛景宸呕卦幉醋?，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t. (1)木板的加速度可以用d、t表示為a＝________；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可)________． (2)改變瓶中水的質量重復實驗，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關系．下列圖象中能表示該同學實驗結果的是________． (3)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是________． A．可以改變滑動摩擦力的大小 B．可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) C．可以比較精確地測出摩擦力的大小 D．可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 9、(xx安徽卷，21Ⅰ)圖為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖．砂和砂桶的總質量為m，小車和砝碼的總質量為M.實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小． (1)(單選)實驗中，為了使細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，使細線與長木板平行．接下來還需要進行的一項操作是 (　　)． A．將長木板水平放置，讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶，給打點計時 器通電，調(diào)節(jié)m的大小，使小車在砂和砂桶的牽引下運動，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 B．將長木板的一端墊起適當?shù)母叨龋屝≤囘B著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶， 撤去砂和砂桶，給打點計時器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 C．將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?，撤去紙帶以及砂和砂桶，輕推小車，觀 察判斷小車是否做勻速運動 (2)(單選)實驗中要進行質量m和M的選取，以下最合理的一組是 (　　)． A．M＝200 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g B．M＝200 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g C．M＝400 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g D．M＝400 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g (3)圖3－4－14是實驗中得到的一條紙帶，A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數(shù)點，相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出，量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為：sAB＝4.22 cm、sBC＝4.65 cm、sCD＝5.08 cm、sDE＝5.49 cm，sEF＝5.91 cm，sFG＝6.34 cm.已知打點計時器的工作頻率為50 Hz，則小車的加速度大小a＝________m/s2.(結果保留兩位有效數(shù)字)． 10、（xx?河南鄭州市一模）為了“探究加速度與力、質量的關系”，現(xiàn)提供如圖所示實驗裝置。請思考探究思路并回答下列問題： （1）為了消除小車與水平之間摩擦力的影響應采取的做法是（ ） A.將木板不帶滑輪的一端適當墊高，是小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 B.將木板帶滑輪的一端適當墊高，使小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 C.使木板不帶滑輪的一端適當墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運動 D.使木板不帶滑輪的一端適當墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車能夠靜止在木板上 （2）在實驗中，得到一條打點的紙帶，如圖所示，已知相鄰計數(shù)點的時間間隔為T，且間距S1、S2 、S3、 S4 、S5 、S6已量出，則小車加速度的表達式為a=＿＿＿＿＿＿； （3）有一組同學保持小車及車中的砝碼質量一定，探究加速度a與所受外力F的關系，他們在軌道水平和傾斜兩種情況下分別做了實驗，得到了兩條a—F圖線，如圖所示。圖線＿＿＿＿＿＿是在軌道傾斜情況下得到的（選填①或②）；小車及車中的砝碼總質量m=＿＿＿＿＿＿kg。 11、（xx廣西四市聯(lián)考模擬）某實驗小組利用如圖甲所示的氣墊導軌實驗裝置來探究合力一定時，物體的加速度與質量之間的關系。 （1）做實驗時，將滑塊從圖甲所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器（圖中未畫出）可讀出遮光條通過光電門1、2的時間分別為△t1、△t2；用刻度尺測得兩個光電門中心之間的距離x，用游標卡尺測得遮光條寬度d。則滑塊經(jīng)過光電門1時的速度表達式v1= ；滑塊加速度的表達式a= 。（以上表達式均用已知字母表示）。如圖乙所示，若用20分度的游標卡尺測量遮光條的寬度，其讀數(shù)為 mm。 （2）為了保持滑塊所受的合力不變，可改變滑塊質量M和氣墊導軌右端高度h（見圖甲）。關于“改變滑塊質量M和氣墊導軌右端的高度h的正確操作方法是 A．M增大時，h增大，以保持二者乘積增大 B．M增大時，h減小，以保持二者乘積不變 C．M減小時，h增大，以保持二者乘積不變 D．M減小時，h減小，以保持二者乘積減小