高考物理一輪總復(fù)習(xí)第三章實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律講義含解析新人教版.docx

驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法2平衡摩擦力：在平衡摩擦力時(shí)，不要懸掛小盤，但小車應(yīng)連著紙帶且接通電源用手給小車一個(gè)初速度，如果在紙帶上打出的點(diǎn)的間隔是均勻的，表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡3不重復(fù)平衡摩擦力：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4實(shí)驗(yàn)條件：Mm.只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力5一先一后一按?。焊淖兝托≤囐|(zhì)量后，每次開(kāi)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，后放開(kāi)小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車6作圖：作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要適當(dāng)，各量須采用國(guó)際單位這樣作圖線時(shí)，坐標(biāo)點(diǎn)間距不至于過(guò)密，誤差會(huì)小些誤差分析1因?qū)嶒?yàn)原理不完善引起誤差本實(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2摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測(cè)量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差熱點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作典例賞析典例1(2019湖南衡陽(yáng)八中月考)在探究加速度與物體所受合外力和質(zhì)量間的關(guān)系時(shí)，采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，小車及車中的砝碼質(zhì)量用M表示，盤及盤中的砝碼質(zhì)量用m表示，小車的加速度可由紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的點(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)為細(xì)線對(duì)小車的拉力大小等于盤和盤中砝碼的重力(2)一組同學(xué)在保持盤及盤中的砝碼質(zhì)量一定的情況下，探究加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系，以下做法正確的是_.A平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將盤及盤中的砝碼用細(xì)線繞過(guò)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(kāi)小車，再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源D小車運(yùn)動(dòng)的加速度可用天平測(cè)出m和M，直接用公式a求出(3)在保持小車及車中的砝碼質(zhì)量M一定，探究加速度與所受合外力的關(guān)系時(shí)，由于平衡摩擦力時(shí)操作不當(dāng)，兩位同學(xué)得到的aF關(guān)系分別如圖中甲、乙所示(a是小車的加速度，F(xiàn)是細(xì)線作用于小車的拉力)其原因分別是：甲圖：_；乙圖：_.解析(1)對(duì)盤及盤中砝碼：mgFma；對(duì)小車：FMa，聯(lián)立可得：a，F(xiàn)mg，只有當(dāng)mM時(shí)，才可認(rèn)為Fmg.(2)平衡摩擦力時(shí)，先去掉盤、盤中砝碼和細(xì)線，只讓小車在重力沿斜面方向的分力作用下向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車能勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力沿斜面方向的分力和摩擦力平衡，A不正確；調(diào)好后，當(dāng)再次改變小車質(zhì)量時(shí)，無(wú)需再平衡摩擦力，B正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)，要先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作，再釋放小車，C不正確；小車的加速度是通過(guò)處理紙帶確定的，D不正確(3)由甲圖可看出F0時(shí)，a0，說(shuō)明木板的傾角過(guò)大，重力沿斜面方向的分力大于摩擦力由乙圖可看出，只有當(dāng)F達(dá)到一定值時(shí)，才會(huì)有加速度，說(shuō)明平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力答案(1)mM(2)B(3)木板的傾角過(guò)大沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足題組鞏固1某實(shí)驗(yàn)小組利用圖甲所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系(1)下列做法正確的是_(填字母代號(hào))A調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長(zhǎng)木板保持平行B在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動(dòng)摩擦力時(shí)，將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上C實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開(kāi)木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源D通過(guò)增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí)，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力，應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量_木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量(填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)(3)甲、乙兩同學(xué)在同一實(shí)驗(yàn)室，各取一套圖甲所示的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒(méi)有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關(guān)系，分別得到如圖乙中甲、乙兩條直線，設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為甲、乙，由圖乙可知，m甲_m乙，甲_乙(填“大于”“小于”或“等于”)解析：(1)在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，平衡摩擦力時(shí)木板不通過(guò)定滑輪掛砝碼桶，而要掛紙帶，并且改變質(zhì)量時(shí)不需要重新平衡摩擦力；在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源再放開(kāi)木塊，故選項(xiàng)A、D均正確；B、C均錯(cuò)誤(2)選木塊(M)、砝碼桶及桶內(nèi)的砝碼(m)為研究對(duì)象，則mg(Mm)a選砝碼桶及桶內(nèi)的砝碼為研究對(duì)象則mgFTma聯(lián)立得：FTmg要使FTmg需要0，即Mm對(duì)木塊由牛頓第二定律得：Fmgma即aFg.由上式與題圖結(jié)合可知：，甲g乙g即：m甲m乙，甲乙答案：(1)AD(2)遠(yuǎn)小于(3)小于大于2(2019湖北襄陽(yáng)四中模擬)某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置做“探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)(1)為了盡可能減少摩擦力的影響，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器最好選用_(填“電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”或“電火花計(jì)時(shí)器”)，同時(shí)需將長(zhǎng)木板的右端墊高，輕推一下小車，使小車能拖動(dòng)穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶做_.(2)在_條件下，可以認(rèn)為繩對(duì)小車的拉力近似等于砂和砂桶的總重力，通過(guò)改變_(填“砂和砂桶”或“小車”)的質(zhì)量，可探究加速度與_(填“小車”或“砂和砂桶”)質(zhì)量的關(guān)系(3)如果某次實(shí)驗(yàn)打出的紙帶如圖乙所示，O為起點(diǎn)，A、B、C為過(guò)程中的三個(gè)相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間有四個(gè)點(diǎn)沒(méi)有標(biāo)出，A、B、C到O點(diǎn)的距離在圖中已標(biāo)出，所用交流電的頻率為f，則測(cè)出小車運(yùn)動(dòng)的加速度為a_.解析：(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針與紙帶間存在一定的摩擦，因此為了盡可能減少摩擦力的影響，應(yīng)選用電火花計(jì)時(shí)器；平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)該在不掛砂桶的條件下，輕推小車，如果小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)，表明摩擦力已平衡(2)在砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量的條件下，可以認(rèn)為繩對(duì)小車的拉力近似等于砂和砂桶的總重力；應(yīng)通過(guò)改變小車的質(zhì)量，探究加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系(3)(s3s2)(s2s1)a2得小車運(yùn)動(dòng)的加速度：a.答案：(1)電火花計(jì)時(shí)器勻速直線運(yùn)動(dòng)(2)砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量小車小車(3)考點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析典例賞析典例2(2019西藏拉薩中學(xué)月考)光電計(jì)時(shí)器是一種研究物體運(yùn)動(dòng)情況的常見(jiàn)儀器當(dāng)有物體從光電門通過(guò)時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示物體的擋光時(shí)間現(xiàn)利用如圖甲所示的裝置探究物體的加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系，其NQ是水平桌面，PQ是一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板，1、2是固定在木板上的兩個(gè)光電門(與之連接的兩個(gè)光電計(jì)時(shí)器沒(méi)有畫(huà)出)小車上固定著用于擋光的窄片K，測(cè)得其寬度為d，讓小車從木板的頂端滑下，光電門各自連接的計(jì)時(shí)器顯示窄片K的擋光時(shí)間分別為t1和t2.(1)該實(shí)驗(yàn)中，在改變小車的質(zhì)量M或砂桶的總質(zhì)量m時(shí)，保持Mm，這樣做的目的是_；(2)為了計(jì)算出小車的加速度，除了測(cè)量d、t1和t2之外，還需要測(cè)量_，若上述測(cè)量量用x表示，則用這些物理量計(jì)算加速度的表達(dá)式為a_；(3)某位同學(xué)經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算得到如下表數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)趫D乙中作出小車加速度與所受合外力的關(guān)系圖象組別1234567M/kg0.580.580.580.580.580.580.58F/N0.100.150.200.250.300.350.40a/(ms2)0.130.170.260.340.430.510.59(4)由圖象可以看出，該實(shí)驗(yàn)存在著較大的誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因是_解析(1)該實(shí)驗(yàn)中，在改變小車的質(zhì)量M或砂桶的總質(zhì)量m時(shí)，保持Mm，這樣做的目的是使得小車所受合外力大小等于(或約等于)mg.(2)為了計(jì)算出小車的加速度，除了測(cè)量d、t1和t2之外，還需要測(cè)量?jī)晒怆婇T之間的距離，若上述測(cè)量量用x表示，小車通過(guò)兩光電門的速度分別為v1和v2，則根據(jù)vv2ax可得加速度的表達(dá)式為a；另外，也可測(cè)量小車由光電門1運(yùn)動(dòng)至光電門2所用時(shí)間x，則a.(3)圖線如圖(4)由圖象可以看出，產(chǎn)生誤差的主要原因是沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足答案(1)使得小車所受合外力大小等于(或約等于)mg(2)兩光電門間的距離或小車由光電門1運(yùn)動(dòng)至光電門2所用時(shí)間(3)見(jiàn)解析圖(4)沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足常見(jiàn)aF圖象涉及的誤差分析“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”實(shí)驗(yàn)得到的理想aF圖象應(yīng)是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，但由于實(shí)驗(yàn)誤差影響，常出現(xiàn)如圖所示的三種情況(說(shuō)明見(jiàn)下表)圖線特征產(chǎn)生原因圖線的上部彎曲當(dāng)木塊受力F較大時(shí)，不滿足“砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量”的條件圖線與a軸有截距平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板的傾角過(guò)大，F(xiàn)0(即不掛砝碼桶)時(shí)木塊就具有了加速度圖線與F軸有截距平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板的傾角過(guò)小，或未平衡摩擦力只有當(dāng)F增加到一定值，木塊才獲得加速度題組鞏固3某同學(xué)利用圖(a)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與鉤碼的質(zhì)量m的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如圖(b)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(shí)選擇了不可伸長(zhǎng)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(jì)算機(jī)得到回答下列問(wèn)題：(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，am圖線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，可能的原因是_.(3)若利用本實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)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_.解析：(1)由題圖(b)可知小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成非線性關(guān)系(2)am圖線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，在m軸上有截距，即掛上小鉤碼后小車加速度仍為零，可能的原因是存在摩擦力(3)本實(shí)驗(yàn)直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，則應(yīng)采取的措施是調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力，鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量答案：(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(yuǎn)小于小車的質(zhì)量4(2019河北模擬)某同學(xué)用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓第二定律(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到如圖乙所示的aF圖象，造成這一結(jié)果的原因是：在平衡摩擦力時(shí)木板與水平桌面的夾角_(填“偏大”或“偏小”)(2)該同學(xué)在平衡摩擦力后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的拉力_砝碼和盤的總重力(填“大于”“小于”或“等于”)，為了便于探究、減小誤差，應(yīng)使小車質(zhì)量M與砝碼和盤的總質(zhì)量m滿足_的條件(3)該同學(xué)得到如圖丙所示的紙帶已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50 Hz.A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個(gè)連續(xù)的點(diǎn)xxDGxAD_cm.由此可算出小車的加速度a_ m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析：(1)根據(jù)所給的aF圖象可知，當(dāng)F0時(shí)，小車已經(jīng)有了加速度a0，所以肯定是在平衡摩擦力時(shí)木板與水平桌面間的夾角偏大造成的(2)根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)小車FMa，對(duì)砝碼和盤mgFma，解得Fmg，只有當(dāng)Mm時(shí)，小車受到的拉力才近似等于mg，從而減小誤差(3)由題圖丙可讀出xAD2.10 cm，xDG3.90 cm，所以xxDGxAD1.80 cm，根據(jù)xat2，解得a5.0 m/s2.答案：(1)偏大(2)小于Mm(3)1.805.0考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新核心提煉創(chuàng)新點(diǎn)創(chuàng)新方案實(shí)驗(yàn)器材氣墊導(dǎo)軌(不用平衡摩擦力)替代長(zhǎng)木板；光電門替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)方案以本實(shí)驗(yàn)為背景，結(jié)合牛頓第二定律，測(cè)量?jī)山佑|面間的動(dòng)摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)處理小車的加速度可以利用傳感器，借助于計(jì)算機(jī)來(lái)處理測(cè)定通過(guò)的時(shí)間，由典例賞析典例3(2018全國(guó)卷)某同學(xué)用圖(a)所示的裝置測(cè)量木塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)跨過(guò)光滑定滑輪的細(xì)線兩端分別與木塊和彈簧秤相連，滑輪和木塊間的細(xì)線保持水平，在木塊上方放置砝碼緩慢向左拉動(dòng)水平放置的木板，當(dāng)木塊和砝碼相對(duì)桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，彈簧秤的示數(shù)即木塊受到的滑動(dòng)摩擦力的大小某次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)在下表中給出，其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數(shù)讀出砝碼的質(zhì)量m/kg0.050.100.150.200.25滑動(dòng)摩擦力f/N2.152.362.55f42.93回答下列問(wèn)題：(1)f4_N；(2)在圖(c)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊未畫(huà)出的數(shù)據(jù)點(diǎn)并繪出fm圖線；(3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動(dòng)摩擦因數(shù)及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f_，fm圖線(直線)的斜率的表達(dá)式為k_；(4)g取9.80 m/s2，由繪出的fm圖線求得_.(保留兩位有效數(shù)字)審題指導(dǎo)(1)對(duì)木板拉動(dòng)的過(guò)程中，木塊與砝碼處于平衡狀態(tài)，木塊所受摩擦力與細(xì)繩的拉力相等(2)找出fm的關(guān)系，由圖象求出圖象的斜率，進(jìn)而求出動(dòng)摩擦因數(shù)解析本題考查物體的平衡、滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算及分析圖象的能力(1)由圖可知彈簧秤的讀數(shù)為2.75 N.(2)畫(huà)圖線時(shí)應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)落在線上，不在線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布在線的兩側(cè)，如答案圖所示(3)以木塊和砝碼為研究對(duì)象，整體水平方向受木板的滑動(dòng)摩擦力和細(xì)線的拉力，f(Mm)g，整理得fmgMg，故fm圖線的斜率kg.(4)由圖知k3.9 N/kg，故0.40.答案(1)2.75(2)如圖所示(3)(Mm)gg(4)0.40題組鞏固5(2019威海模擬)某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖所示的裝置進(jìn)行驗(yàn)證：當(dāng)質(zhì)量m一定時(shí)，加速度a與力F成正比的關(guān)系，其中Fm2g，mm1m2(m 1為小車及車內(nèi)砝碼的總質(zhì)量，m2為桶及桶中砝碼的總質(zhì)量)具體做法是：將小車從A處由靜止釋放，用速度傳感器測(cè)出它運(yùn)動(dòng)到B處時(shí)的速度v，然后將小車內(nèi)的一個(gè)砝碼拿到小桶中，小車仍從A處由靜止釋放，測(cè)出它運(yùn)動(dòng)到B處時(shí)對(duì)應(yīng)的速度，重復(fù)上述操作圖中AB相距x.(1)設(shè)加速度大小為a，則a與v及x間的關(guān)系式是_.(2)如果實(shí)驗(yàn)操作無(wú)誤，四位同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出了下列圖象，其中正確的是_.(3)下列哪些措施能夠減小本實(shí)驗(yàn)的誤差_.A實(shí)驗(yàn)中必須保證m2m1B實(shí)驗(yàn)前要平衡摩擦力C細(xì)線在桌面上的部分應(yīng)與長(zhǎng)木板平行D圖中AB之間的距離x盡量小些解析：(1)小車做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度位移公式得：v22ax.(2)由(1)可知：v22ax，由牛頓第二定律得：a，則：v2F，v2與F成正比，故選A.(3)以系統(tǒng)為研究對(duì)象，加速度：a，系統(tǒng)所受拉力等于m2g，不需要滿足m2m1，故A錯(cuò)誤；為使系統(tǒng)所受合力等于桶與桶中砝碼的重力，實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力，還需要細(xì)線在桌面上的部分與長(zhǎng)木板平行，故B、C正確；為減小實(shí)驗(yàn)誤差，圖中A、B之間的距離x應(yīng)盡量大些，故D錯(cuò)誤答案：(1)v22ax(2)A(3)BC6(2019上海質(zhì)檢)在用DIS研究小車加速度與外力的關(guān)系時(shí)，某實(shí)驗(yàn)小組先用如圖(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置，重物通過(guò)滑輪用細(xì)線拉小車，在小車和重物之間接一個(gè)不計(jì)質(zhì)量的微型力傳感器，位移傳感器(發(fā)射器)隨小車一起沿水平軌道運(yùn)動(dòng)，位移傳感器(接收器)固定在軌道一端實(shí)驗(yàn)中力傳感器的拉力為F，保持小車(包括位移傳感器發(fā)射器)的質(zhì)量不變，改變重物重力重復(fù)實(shí)驗(yàn)若干次，得到加速度與外力的關(guān)系如圖(b)所示(重力加速度g取10 m/s2)(1)小車與軌道的滑動(dòng)摩擦力f_N.(2)從圖象中分析，小車(包括位移傳感器發(fā)射器)的質(zhì)量為_(kāi)kg.(3)為得到a與F成正比的關(guān)系，應(yīng)將斜面的傾角調(diào)整到tan _.解析：(1)根據(jù)圖象可知，當(dāng)F0.5 N時(shí)，小車開(kāi)始有加速度，則f0