2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 專題三 實(shí)驗(yàn)四:驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律課件_第1頁(yè)
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1、實(shí)驗(yàn)四:驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律 一、基本原理與操作 二、注意事項(xiàng) 1.實(shí)驗(yàn)方法:控制變量法. 2.平衡摩擦力:不懸掛小盤,但小車連著紙帶. 3.不重復(fù):不重復(fù)平衡摩擦力. 4.實(shí)驗(yàn)條件:Mm,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?。合冉油娫?,后放小車,且在小車到 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. 三、誤差分析 1.因?qū)嶒?yàn)原理不完善引起的誤差: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

2、平行都會(huì)引起誤差. 【基礎(chǔ)自測(cè)】 下面是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)步驟: 用天平測(cè)出小車質(zhì)量 M 和小盤質(zhì)量 m 安裝好打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,在小車上裝好紙帶 調(diào)整長(zhǎng)木板的傾斜程度 在小盤中加入適量的砝碼 m1 保持小車質(zhì)量一定時(shí),探究加速度與力的關(guān)系 保持小車所受拉力一定時(shí),探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系 (1)步驟的目的是_. (2)步驟中,要求小盤和砝碼總質(zhì)量(mm1)_(填 “遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“等于”)小車質(zhì)量 M. (3)步驟和,表明該實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是_. 解析:(1)步驟是為了平衡掉小車與木板、紙帶與打點(diǎn)計(jì) 時(shí)器間的摩擦力,使小車所受的合力等于小盤和砝碼的重力. (2)步驟中,要求小

3、盤和砝碼總質(zhì)量(mm1)遠(yuǎn)小于小車的 質(zhì)量 M. (3)該實(shí)驗(yàn)采用的是控制變量法. 答案:(1)平衡摩擦力(2)遠(yuǎn)小于 (3)控制變量法 考點(diǎn) 1 對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)步驟的考查 【典題 1】(2017 年山東泰安第二輪質(zhì)檢)在“驗(yàn)證牛頓第 二定律”的實(shí)驗(yàn)中,采用如圖 S4-1 所示的實(shí)驗(yàn)裝置,小車及車 中砝碼的質(zhì)量用 M 表示,沙和沙桶的質(zhì)量用 m 表示,小車的加 速度可由小車后面拖動(dòng)的紙帶計(jì)算出. 圖 S4-1 (1)實(shí)驗(yàn)中,為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合外 力,先調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板一端滑輪的高度,使細(xì)線與長(zhǎng)木板平行.接下 來(lái)還需要進(jìn)行的一項(xiàng)操作是() A.將長(zhǎng)木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過

4、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的 紙帶,給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電.改變沙桶中沙的多少,使小車在沙和 沙桶的牽引下運(yùn)動(dòng),從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng) B.將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?,讓小車連著已經(jīng)穿過 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,撤去沙和沙桶,給打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(dòng) C.將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨龋啡ゼ垘б约吧澈蜕?桶,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng) (2)實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行質(zhì)量 m 和 M 的選取,以下最合理的一組 是() A.M200 g,m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 g B.M200 g,m20 g、40 g、60 g、80 g、100

5、 g、120 g C.M400 g,m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 g D.M400 g,m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g (3)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交變電流頻率為 50 Hz,每相鄰 兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有 4 個(gè)點(diǎn)未畫出,利用圖 S4-2 給出的數(shù)據(jù)可求 出小車運(yùn)動(dòng)的加速度 a_m/s2.(計(jì)算結(jié)果保留三位有效 數(shù)字) 圖 S4-2 解析:(1)為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合外 力,需要平衡摩擦力,其方法是:將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)?高度,讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,撤去沙和沙桶, 給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電,輕推小車,從

6、打出的紙帶判斷小車是否做 勻速運(yùn)動(dòng),B 正確. (2)為了使沙和沙桶的重力等于小車所受的拉力,應(yīng)滿足 mM,C 正確. 答案:(1)B (2)C (3)1.58 次序12345 質(zhì)量M/g 100140180200240 加速度a/(ms2) 1.000.670.530.480.40 質(zhì)量的倒數(shù) /kg1 10.007.145.56_4.17 考點(diǎn) 2 對(duì)數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查 【典題 2】在用圖 S4-3 所示裝置做“驗(yàn)證牛頓第二定律” 的實(shí)驗(yàn)中: (1)甲同學(xué)在外力 F 一定的條件下,探究 a 與 M 的關(guān)系時(shí), 所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示: 外力 F0.1 N 圖 S4-3圖 S4-4

7、 請(qǐng)你完善表中數(shù)據(jù),并在圖 S4-4 中給出的坐標(biāo)紙上畫出 由圖象可得到的結(jié)論是_. (2)乙同學(xué)在探究“加速度與外力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中得到的 a-F 圖象如圖 S4-5 所示,則該圖象中圖線不過原點(diǎn)的原因是_ _ , 小車的質(zhì)量為_kg.(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖 S4-5 答案:(1)5.00如圖 D20 所示. 圖 D20 在外力一定的情況下,物體的加速度與質(zhì)量成反比 0.28(0.260.29 均(2)木板傾角過大(或平衡摩擦力過度) 正確) 【遷移拓展】某同學(xué)利用如圖 S4-6 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 與鉤碼的質(zhì)量 m 的對(duì)應(yīng)關(guān)系 圖,如圖乙所示.實(shí)驗(yàn)

8、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,回答下列問題: 甲乙 圖 S4-6 (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(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:本題考查了驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn).(1)根據(jù)圖中描 出的各點(diǎn)畫出

9、的圖象不是一條直線,故小車的加速度和鉤碼的 質(zhì)量成非線性關(guān)系.(2)圖象不過原點(diǎn),小車受到拉力但沒有加速 度,原因是有摩擦力的影響.(3)平衡摩擦力之后,在滿足鉤碼質(zhì) 量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件下,可以得出在小車質(zhì)量不變的情況 下拉力與加速度成正比的結(jié)論. 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 1.實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新 (1)利用光電門測(cè)滑塊上的遮光條通過光電門的時(shí)間. (2)利用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板. (3)利用力傳感器或彈簧秤測(cè)繩中拉力大小. 2.實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新 利用力傳感器測(cè)出細(xì)線拉力或選取整體作為研究對(duì)象,消 除了因不滿足 mM 而帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差.

10、 3.數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新 考向 1 利用力傳感器或彈簧秤測(cè)量拉力的大小 【典題 3】(2018 屆遼寧撫順模擬考試)在研究加速度和力 的關(guān)系時(shí),同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)了如圖 S4-7 所示實(shí)驗(yàn)裝置,M 為滑塊的 質(zhì)量,m 為沙和沙桶的總質(zhì)量,輕滑輪不計(jì)摩擦,該實(shí)驗(yàn)已經(jīng) 平衡摩擦力. 圖 S4-7 (1)實(shí)驗(yàn)中,一定要進(jìn)行的操作是_; A.用天平測(cè)出 m 的大小 B.滑塊靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(圖中未畫出),先接通電源,后釋放 滑塊 C.改變沙和沙桶的質(zhì)量,打出幾條紙帶 D.為減小誤差,要保證 m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 M (2)以力傳感器的示數(shù) F 為橫坐標(biāo),通過紙帶計(jì)算出的加速 度為縱坐標(biāo),畫出的 a-F 圖象是一條直線,

11、求得圖線的斜率為 k,則滑塊的質(zhì)量 M_. 解析:(1)本題拉力由傳感器測(cè)出,不需要用天平測(cè)出 m 的 大小,也就不需要要保證 m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 M,A、D 錯(cuò)誤;滑塊靠 近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通電源,后釋放滑塊,B 正確;改變沙和 沙桶質(zhì)量,即改變拉力的大小,打出幾條紙帶,研究加速度隨 F 變化關(guān)系,C 正確.所以 B、C 正確,A、D 錯(cuò)誤.(2)對(duì) a-F 圖 來(lái)說(shuō),圖象的斜率表示滑塊質(zhì)量倒數(shù)的兩倍,所以滑塊質(zhì)量為 【觸類旁通】(2018 年山東濟(jì)寧模擬)某同學(xué)用如圖 S4-8 甲 所示實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量滑塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù).實(shí)驗(yàn)中滑塊放 在水平桌面上,在輕質(zhì)動(dòng)滑輪上懸掛不同的重物,使滑塊從同 一

12、位置由靜止加速運(yùn)動(dòng).滑塊經(jīng)過光電門時(shí),配套的數(shù)字毫秒計(jì) 圖象如圖乙所示.已知滑塊到光電門的距離 x45 cm,遮光條的 寬度 d3 mm.(忽略繩子質(zhì)量及繩子與滑輪之間的摩擦,取 g 10 m/s2). 甲乙 圖 S4-8 (1)由圖甲判斷下列說(shuō)法正確的是_ A.實(shí)驗(yàn)中滑塊的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于重物的質(zhì)量 B.實(shí)驗(yàn)中滑塊的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)大于重物的質(zhì)量 C.實(shí)驗(yàn)中與滑塊相連的輕繩與桌面一定要平行 D.實(shí)驗(yàn)中與滑塊相連的輕繩與桌面可以不平行 (2)由圖乙可得滑塊的質(zhì)量為 m_kg,滑塊與桌面 間的動(dòng)摩擦因數(shù)為_. 解析:(1)繩子拉力由彈簧秤的示數(shù)直接讀出,不需要重物 的重力代替,所以不需要滿足重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于

13、滑塊質(zhì)量,A、 B 錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)中與滑塊相連的輕繩與桌面一定要平行,C 正確, D 錯(cuò)誤.(2)由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可得 Fmgma,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可 答案:(1)C (2)0.50.3 考向 2 選擇整體作為研究對(duì)象 【典題 4】(2016 年新課標(biāo)卷)某物理課外小組利用圖S4-9 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(shí)驗(yàn)臺(tái)上的長(zhǎng)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 N5 個(gè),每個(gè)質(zhì)量均為 0.010 kg.實(shí) 驗(yàn)步驟如下: 圖 S4-9 n 12345 a/(ms2) 0.20_0.580.

14、781.00 (1)將 5 個(gè)鉤碼全部放入小車中,在長(zhǎng)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 n1,2,3,4,5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端,其余 N n 個(gè)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(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻 t 相對(duì)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(duì)應(yīng)于不同的 n 的 a 值見下表.n2 時(shí)的 s-t 圖象如圖 S4-10 甲所示;由圖甲求出此時(shí)小車的加速度(計(jì)算結(jié)果保留兩 位有效數(shù)字),將結(jié)果填入下表. (4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖乙中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn),并

15、畫出 a-n 圖象. 從圖象可以看出:當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí),物體的加速度與其所受 的合外力成正比. 甲乙 圖 S4-10 (5)利用 a-n 圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為_kg.(計(jì)算 結(jié)果保留兩位有效數(shù)字,重力加速度 g 取 9.8 m/s2) (6)若以“保持木板水平”來(lái)代替步驟(1),下列說(shuō)法正確的 是 _(填正確選項(xiàng)前的序號(hào)). 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 (6)木板水平時(shí)要考慮摩擦力的影響,對(duì)于掛在下面的 n 個(gè) 鉤碼,有 nmgFnma; 對(duì)于小車(含剩下的鉤碼),有 FM(Nn)mg M(Nn)ma 兩式相加得 nmgM(Nn)mg(MNm)a 去中括號(hào)得 n(mgmg)(MNm)

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