高中物理實(shí)驗(yàn)四《驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律》課件（教科版）選修3-1

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歡迎進(jìn)入物理課堂 實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律 1 學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律 2 驗(yàn)證牛頓第二定律 3 掌握利用圖像處理數(shù)據(jù)的方法 探究加速度a與力F及質(zhì)量M的關(guān)系時(shí) 應(yīng)用的基本方法是控制變量法 即先控制一個參量 小車的質(zhì)量M不變 探究加速度a與力F的關(guān)系 再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變 即力F不變 探究加速度a與小車質(zhì)量M的關(guān)系 打點(diǎn)計(jì)時(shí)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 薄木塊 一 實(shí)驗(yàn)步驟1 用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M0 2 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 3 平衡摩擦力 在長木板的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 直至小車在斜面上運(yùn)動時(shí)可以保持勻速運(yùn)動狀態(tài) 這時(shí)小車拖著紙帶運(yùn)動時(shí)受到的摩擦力恰好與小車所受重力在斜面方向上的分力平衡 4 把細(xì)繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛小盤 小盤里放砝碼 先接通電源再放開小車 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn) 計(jì)算小盤和砝碼的重力 在小盤和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件下 可以認(rèn)為等于小車所受的合外力 由紙帶計(jì)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(jì)算砝碼和小車的總質(zhì)量M 并由紙帶計(jì)算出小車對應(yīng)的加速度 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 一 表 二 二 數(shù)據(jù)處理1 需要計(jì)算各種情況下所對應(yīng)的小車的加速度 可使用 研究勻變速直線運(yùn)動 的方法 先在紙帶上標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn) 測量各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離 根據(jù)逐差法計(jì)算各條紙帶對應(yīng)的加速度 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(biāo)系 用縱坐標(biāo)表示加速度a 橫坐標(biāo)表示作用力F 描點(diǎn)畫a F圖像 如果圖像是一條過原點(diǎn)的傾斜直線 便證明加速度與作用力成正比 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(biāo)系 用縱坐標(biāo)表示加速度a 橫坐標(biāo)表示總質(zhì)量的倒數(shù) 描點(diǎn)畫a 圖像 如果圖像是一條過原點(diǎn)的傾斜直線 就證明了加速度與質(zhì)量成反比 1 因?qū)嶒?yàn)原理不完善引起的誤差以小車 小盤和砝碼整體為研究對象得mg M m a 以小車為研究對象得F Ma 求得本實(shí)驗(yàn)用小盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力 而實(shí)際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力 小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量 由此引起的誤差就越小 因此 滿足小盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量的目的就是減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差 2 摩擦力平衡不準(zhǔn)確造成誤差 在平衡摩擦力時(shí) 除了不掛小盤外 其他的均與正式實(shí)驗(yàn)一樣 比如要掛好紙帶 接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 勻速運(yùn)動的標(biāo)志是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上各相鄰兩點(diǎn)間的距離相等 3 質(zhì)量的測量誤差 紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測量誤差 細(xì)繩或紙帶不與木板平行等都會引起誤差 1 在平衡摩擦力時(shí) 不要把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上 即不要給小車加任何牽引力 并要讓小車拖著紙帶勻速運(yùn)動 2 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 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 改變拉力和小車質(zhì)量后 每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 并應(yīng)先接通電源 再放開小車 且應(yīng)在小車到達(dá)定滑輪前按住小車 5 作圖像時(shí) 要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上 不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱地分布在所作直線兩側(cè) 6 作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要適當(dāng) 各量須采用國際單位 這樣作圖線時(shí) 坐標(biāo)點(diǎn)間距不至于過密 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(diǎn) 在后邊便于測量的地方找一個起點(diǎn) 2 可以把每打五次點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間單位 即從開始點(diǎn)起 每五個點(diǎn)標(biāo)出一個計(jì)數(shù)點(diǎn) 則相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T 0 1s 本實(shí)驗(yàn)中可以用氣墊導(dǎo)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(jì)算機(jī)來處理 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)器材的分析 例證1 2011 浙江高考 在 探究加速度與力 質(zhì)量的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)時(shí) 已提供了小車 一端附有定滑輪的長木板 紙帶 帶小盤的細(xì)線 刻度尺 天平 導(dǎo)線 為了完成實(shí)驗(yàn) 還須從圖中選取實(shí)驗(yàn)器材 其名稱是 并分別寫出所選器材的作用 規(guī)范解答 為測量小車的加速度 需記錄小車運(yùn)動的位置和時(shí)間 這可利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶完成 所以 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 實(shí)驗(yàn)中需要改變小車的質(zhì)量 這可通過在小車上添加鉤碼來實(shí)現(xiàn) 所以實(shí)驗(yàn)中應(yīng)有鉤碼 實(shí)驗(yàn)中還需要改變小車所受拉力的大小 這可通過改變盤中的砝碼的數(shù)目來改變 所以實(shí)驗(yàn)中應(yīng)有砝碼 學(xué)生電源為電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器提供交流電源 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 電火花計(jì)時(shí)器 記錄小車運(yùn)動的位置和時(shí)間 鉤碼用以改變小車的質(zhì)量 砝碼用以改變小車受到的拉力的大小 還可用于測量小車的質(zhì)量 答案 學(xué)生電源 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 鉤碼 砝碼 或電火花計(jì)時(shí)器 鉤碼 砝碼 見規(guī)范解答 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 例證2 2012 德州模擬 某組同學(xué)設(shè)計(jì)了 探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系 實(shí)驗(yàn) 圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖 A為小車 B為電火花計(jì)時(shí)器 C為裝有細(xì)砂的小桶 D為一端帶有定滑輪的長方形木板 實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力F等于細(xì)砂和小桶的總重量 小車運(yùn)動的加速度a可用紙帶上打出的點(diǎn)求得 1 圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶 已知實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率為50Hz 根據(jù)紙帶可求出電火花計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)的速度為 m s 小車的加速度大小為 m s2 結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字 2 在 探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系 時(shí) 某同學(xué)按照自己的方案將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注 但尚未完成圖像 如圖所示 請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖像 3 在 探究加速度a與合力F的關(guān)系 時(shí) 該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丙 該圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn) 試分析圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因 答 規(guī)范解答 1 AC這段位移的平均速度等于AC這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度 即B點(diǎn)的瞬時(shí)速度 故vB 1 6m s 由逐差法求解小車的加速度 2 將坐標(biāo)系中各點(diǎn)連成一條直線 連接時(shí)應(yīng)使直線過盡可能多的點(diǎn) 不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè) 離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯誤數(shù)據(jù) 不予考慮 連線如圖所示 3 圖線與橫軸有截距 說明實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 答案 1 1 63 2 2 見規(guī)范解答 3 實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 1 關(guān)于 驗(yàn)證牛頓第二定律 實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證 作用力一定時(shí) 加速度與質(zhì)量成反比 的實(shí)驗(yàn)過程 以下做法中正確的是 A 平衡摩擦力時(shí) 應(yīng)將裝沙的小桶用細(xì)繩通過定滑輪系在小車上B 每次改變小車的質(zhì)量時(shí) 不需要重新平衡摩擦力C 實(shí)驗(yàn)時(shí) 先放開小車 再接通電源D 可以利用天平測出沙桶和沙的質(zhì)量m和小車質(zhì)量M 直接用公式a 求出加速度 解析 選B 平衡摩擦力時(shí) 使小車的重力沿斜面向下的分力與小車運(yùn)動所受摩擦力平衡 所以不能將小桶系在小車上 A錯誤 平衡摩擦力后 小車和板間的動摩擦因數(shù) tan 與小車的質(zhì)量無關(guān) 所以改變小車的質(zhì)量時(shí) 不需要重新平衡摩擦力 B正確 實(shí)驗(yàn)時(shí) 應(yīng)先接通電源 待打點(diǎn)穩(wěn)定后 放開小車 C錯誤 本實(shí)驗(yàn)是探究作用力一定時(shí) 加速度與質(zhì)量成反比 不能直接用公式a 求加速度 D錯誤 2 2012 舟山模擬 在探究 加速度與力 質(zhì)量的關(guān)系 的實(shí)驗(yàn)中 1 某同學(xué)將實(shí)驗(yàn)器材組裝成如圖所示 在接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前 請你指出該裝置中的錯誤或不妥之處 2 改正實(shí)驗(yàn)裝置后 該同學(xué)順利地完成了實(shí)驗(yàn) 如圖是他在實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶 圖中相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0 1s 由圖中的數(shù)據(jù)可算得小車的加速度a為 m s2 結(jié)果取兩位有效數(shù)字 解析 1 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用交流電源 而實(shí)驗(yàn)中使用的是干電池 直流電源 實(shí)驗(yàn)時(shí)利用沙桶及沙的重力作為小車所受的合外力 而小車會受到長木板的摩擦力作用 故應(yīng)該將小車的摩擦力平衡 實(shí)驗(yàn)中沒有平衡小車的摩擦力 實(shí)驗(yàn)時(shí)小車應(yīng)該靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 而實(shí)驗(yàn)中小車初始位置離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn) 2 由逐差法求解小車的加速度 答案 1 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不應(yīng)使用干電池 應(yīng)使用交流電源 實(shí)驗(yàn)中沒有平衡小車的摩擦力 小車的初始位置離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn) 2 0 19 0 20均正確 3 在探究加速度與力 質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中 采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置 小車及車中砝碼的質(zhì)量用M表示 盤及盤中砝碼的質(zhì)量用m表示 小車的加速度可由小車拖動的紙帶打上的點(diǎn)計(jì)算出 1 當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足 時(shí) 才可以認(rèn)為繩對小車的拉力大小等于盤及盤中砝碼的重力 2 一組同學(xué)在做加速度與質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí) 保持盤及盤中砝碼的質(zhì)量一定 改變小車及車中砝碼的質(zhì)量 測出相應(yīng)的加速度 采用圖像法處理數(shù)據(jù) 為了比較容易地觀測加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系 應(yīng)該做a與 的圖像 3 乙 丙同學(xué)用同一裝置做實(shí)驗(yàn) 畫出了各自得到的a 圖線如圖所示 兩個同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)的哪一個物理量取值不同 解析 1 只有M與m滿足M m才能使繩對小車的拉力近似等于盤及盤中砝碼的重力 2 由于a 所以a 圖像應(yīng)是一條過原點(diǎn)的直線 所以數(shù)據(jù)處理時(shí) 常作出a與的圖像 3 兩小車及車上的砝碼的總質(zhì)量相等時(shí) 由圖像知乙的加速度大 故乙的拉力F大 或乙的盤及盤中砝碼的質(zhì)量大 答案 1 M m 2 3 拉力F 4 若測得某一物體質(zhì)量m一定時(shí) a與F的有關(guān)數(shù)據(jù)資料如表所示 1 根據(jù)表中數(shù)據(jù) 畫出a F圖像 2 根據(jù)圖像判定 當(dāng)m一定時(shí) a與F的關(guān)系為 3 若甲 乙兩同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程中 由于沒有按照正確步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 處理數(shù)據(jù)后得出如圖所示的a F圖像 試分析甲 乙兩同學(xué)可能存在的問題 甲 乙 解析 1 若a與F成正比 則圖像是一條過原點(diǎn)的直線 同時(shí) 因?qū)嶒?yàn)中不可避免地出現(xiàn)誤差 研究誤差產(chǎn)生的原因 從而減小誤差 增大實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性 則在誤差允許范圍內(nèi)圖像是一條過原點(diǎn)的直線即可 連線時(shí)應(yīng)使直線過盡可能多的點(diǎn) 不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對稱地分布在直線兩側(cè) 離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯誤數(shù)據(jù) 不予考慮 描點(diǎn)畫圖如圖所示 2 由圖可知a與F的關(guān)系是正比例關(guān)系 3 圖中甲在縱軸上有截距 說明繩對小車?yán)榱銜r(shí)小車就有加速度a0 可能是平衡摩擦力過度所致 乙在橫軸上有截距 可能是實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 答案 1 見解析 2 正比例關(guān)系 3 平衡摩擦力時(shí)木板抬得過高沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 5 2011 山東高考 某探究小組設(shè)計(jì)了 用一把尺子測定動摩擦因數(shù) 的實(shí)驗(yàn)方案 如圖所示 將一個小球和一個滑塊用細(xì)繩連接 跨在斜面上端 開始時(shí)小球和滑塊均靜止 剪斷細(xì)繩后 小球自由下落 滑塊沿斜面下滑 可先后聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音 保持小球和滑塊釋放的位置不變 調(diào)整擋板位置 重復(fù)以上操作 直到能同時(shí)聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音 用刻度尺測出小球下落的高度H 滑塊釋放點(diǎn)與擋板處的高度差h和沿斜面運(yùn)動的位移x 空氣阻力對本實(shí)驗(yàn)的影響可以忽略 1 滑塊沿斜面運(yùn)動的加速度與重力加速度的比值為 2 滑塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為 3 以下能引起實(shí)驗(yàn)誤差的是 a 滑塊的質(zhì)量b 當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮 長度測量時(shí)的讀數(shù)誤差d 小球落地和滑塊撞擊擋板不同時(shí) 解析 1 由于小球落地和滑塊撞擊擋板是同時(shí)的 可以得出兩個物體運(yùn)動的時(shí)間相同 即滑塊 x at2 小球 H gt2 可得出 2 對滑塊受力分析可知mgsin mgcos ma sin cos 解之可得 3 由上面的表達(dá)式可知所測動摩擦因數(shù)和H h x有關(guān) 故選c d 答案 1 2 h 3 c d 6 某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置來探究當(dāng)合外力一定時(shí) 物體運(yùn)動的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系 1 由圖甲中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x 24cm 測得遮光條的寬度d 0 52cm 該實(shí)驗(yàn)小組在做實(shí)驗(yàn)時(shí) 將滑塊從圖甲所示位置由靜止釋放 由數(shù)字計(jì)時(shí)器可以讀出遮光條通過光電門1的時(shí)間 t1 遮光條通過光電門2的時(shí)間 t2 則滑塊經(jīng)過光電門1時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式v1 滑塊經(jīng)過光電門2時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式v2 則滑塊的加速度的表達(dá)式a 以上表達(dá)式均用字母表示 2 在本次實(shí)驗(yàn)中 實(shí)驗(yàn)小組通過改變滑塊質(zhì)量總共做了6組實(shí)驗(yàn) 得到如表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 通過分析表中數(shù)據(jù)后 你得出的結(jié)論是 3 現(xiàn)需通過圖像進(jìn)一步驗(yàn)證你的結(jié)論 請利用表格數(shù)據(jù) 在圖乙坐標(biāo)系中描點(diǎn)作出相應(yīng)圖像 解析 1 由于遮光條的寬度很小 遮光條通過光電門的時(shí)間很短 這段時(shí)間內(nèi)的平均速度即為滑塊通過光電門的瞬時(shí)速度 故v1 v2 滑塊由光電門1到光電門2做勻加速直線運(yùn)動 由v22 v12 2ax可得 2 在合外力不變的情況下 物體運(yùn)動的加速度跟物體的質(zhì)量成反比 當(dāng)合外力一定時(shí) 在誤差允許的范圍內(nèi) 物體質(zhì)量和加速度的乘積近似相等 3 如圖所示 答案 1 2 3 見解析 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全