高考物理實驗四驗證牛頓運動定律理論指導(dǎo)

1、高考物理一輪復(fù)習(xí)實驗四驗證牛頓運動定律(1) 學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律。(2) 驗證牛頓第二定律。(3) 掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法。探究加速度a與力F及質(zhì)量的關(guān)系時， 應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個m參量小車的質(zhì)量m不變，討論加速度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，改變小車質(zhì)量m，討論加速度a 與 m的關(guān)系。電磁打點計時器、復(fù)寫紙片和紙帶、一端帶有定滑輪的長木板、小車、小盤、低壓交流電源、天平、砝碼、刻度尺、導(dǎo)線。圖實 4 1(1) 用天平測量小盤的質(zhì)量 m0 和小車的質(zhì)量 M0。(2) 把一端附有滑輪的長木板放在實驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打

2、點計時器固定在長木板上遠(yuǎn)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摩擦力平衡。在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件下，可以近似認(rèn)為小盤和砝碼的總重力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勻加速下滑，打出一條紙帶。(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)

3、量，讓小車在木板上滑動打出紙帶。(7) 改變小車上砝碼的個數(shù)，重復(fù)步驟(6) 。(1) 把小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中：實驗次數(shù)加速度a/(m ·s 2)小車受力 /NF1234圖實 4 2由以上數(shù)據(jù)畫出它的aF 關(guān)系圖象如圖實4 2 所示。通過 a F 關(guān)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(zhì)量的小車在相同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中：實驗次數(shù)加速度 a/(m ·s2)小車質(zhì)量M/kg12341由以上數(shù)據(jù)畫出它的aM圖象及 a 圖象，如圖實4 3 甲、乙所示。M圖實 4 3通過 1a與質(zhì)量成反比，與質(zhì)量的和 關(guān)系圖象，我們可以

4、得出小車的加速度aM aMM1倒數(shù)成正比。M(1) 平衡摩擦力時，調(diào)節(jié)長木板形成一個合適的斜面，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(xì)線系在小車上， 即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著紙帶運動。(2) 在本實驗中，由于兩個小車輪子的靈活程度可能不相同，所受的摩擦力也可能不相等，平衡摩擦力就有困難。 應(yīng)該盡可能選取光滑的長木板進(jìn)行實驗， 以減小因摩擦而造成的系統(tǒng)誤差。(3) 安裝器材時，要調(diào)整滑輪的高度，使拴小車的細(xì)繩與斜面平行，且連接小車和砝碼盤應(yīng)在平衡摩擦力之后。(4) 整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變重物質(zhì)量，還是改變小車

5、和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力。(5) 每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量的條件下打出。只有如此，重物重力才可視為小車受到的拉力。(6) 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(dá)滑輪前按住小車。(7) 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(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。(8) 作圖時兩軸標(biāo)度比例要選擇適當(dāng)。各量須采用國際單位。這樣作圖線時，坐標(biāo)點間距不至于過密，誤差會小些。(9) 為提高測量精度，可以采取下列措施：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?？梢园?/p>

6、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(biāo)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。1系統(tǒng)誤差以小車、小盤和砝碼整體為研究對象得mg ( Mm) a；以小車為研究對象得F Ma；求得M1F · mg· mg<mg。M mm1 M本實驗用小盤和砝碼的總重力代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小mg盤和砝碼的總重力。小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近于小車的質(zhì)量，誤差越大；反之， 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)量的目的就是為了減小因?qū)嶒炘聿煌晟贫鸬恼`差。2偶然誤差摩擦力

7、平衡不準(zhǔn)確、 質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、 計數(shù)點間距測量不準(zhǔn)確、 紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會引起誤差。本實驗中可以用氣墊導(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，借助于計算機(jī)來處理。實驗原理與操作 例 1(2013 ·天津模擬 ) 在驗證牛頓第二定律實驗中，(1) 某組同學(xué)用如圖實 4 4 所示裝置，采用控制變量的方法，來研究小車質(zhì)量不變的情況下，小車的加速度與小車受到的力的關(guān)系。下列措施中不需要和不正確的是_。圖實 4 4首先要平衡摩擦力，使小車受到的合力就是細(xì)繩對小車的拉力平衡摩擦力的方法就是，在塑料小桶中添加砝碼，使小車能勻速滑動每次改變拉

8、小車的拉力后都需要重新平衡摩擦力實驗中通過在塑料桶中增加砝碼來改變小車受到的拉力實驗中應(yīng)先放小車，然后再開打點計時器的電源AB CD圖實 4 5(2) 某組同學(xué)實驗得出數(shù)據(jù)，畫出 a F 圖象如圖實 4 5 所示，那么該組同學(xué)實驗中出現(xiàn)的問題可能是 _。A實驗中摩擦力沒有平衡B實驗中摩擦力平衡過度C實驗中繩子拉力方向沒有跟平板平行D實驗中小車質(zhì)量發(fā)生變化解析(1) 為了確保細(xì)繩的拉力等于小車所受的合力，需要先平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法是使木板傾斜，讓重力沿斜面向下的分力等于小車所受的摩擦力，即滿足tan ，不需要反復(fù)平衡摩擦力。因打點計時器剛開始打點不穩(wěn)定，需要先接通電源，后放開紙帶，選B。

9、(2) 從圖象看，拉力 F 等于零時，小車的加速度不為零，且加速度為正向值，則有可能是摩擦力平衡過度或拉力的測量值偏小，選B。答案(1)B(2)B實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析 例2(2013 ·德州模擬) 某組同學(xué)設(shè)計了“探究加速度a 與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實驗。圖實4 6 為實驗裝置簡圖，A為小車，B 為電火花計時器，C為裝有細(xì)砂的小桶，D為一端帶有定滑輪的長木板，實驗中認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力F 等于細(xì)砂和小桶的總重量，小車運動的加速度a 可用紙帶上打出的點求得。圖實 4 6(1) 圖實 4 7 為某次實驗得到的紙帶，已知實驗所用電源的頻率為可求出電火花計時器打B點時的速度為 _

10、m/s ，小車的加速度大小為50 Hz 。根據(jù)紙帶 _m/s 2。( 結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)圖實 4 7(2) 在“探究加速度 a 與質(zhì)量 m的關(guān)系”時，某同學(xué)按照自己的方案將實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注，但尚未完成圖象 ( 如圖實 4 8 所示 ) 。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖象。圖實4 8(3) 在 “探究加速度a 與合力F 的關(guān)系”時，該同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a 與合力 F 的圖線如圖實4 9，該圖線不通過坐標(biāo)原點，試分析圖線不通過坐標(biāo)原點的原因。答： _ 。圖實 4 9解析(1)AC這段位移的平均速度等于AC這段時間中間時刻的瞬時速度，即B 點的B 2瞬時速度，故AB B

11、Cm/s 1.6 m/s 。v 4×0.024T由逐差法求解小車的加速度aCD DE ABBCT2 7.72 6.19 22m/s 2 3.2 m/s2(2) 將坐標(biāo)系中各點連成一條直線，連接時應(yīng)使直線過盡可能多的點，不在直線上的點應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點應(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，說明實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠。 答案 (1)1.63.2(2) 圖見解析(3) 實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠同類實驗的拓展與創(chuàng)新 例3如圖實4 10 所示的實驗裝置可以驗證牛頓運動定律，小車上固定一個盒子，盒子內(nèi)盛有砂子。砂桶

12、的總質(zhì)量( 包括桶以及桶內(nèi)砂子質(zhì)量) 記為 m，小車的總質(zhì)量( 包括車、盒子及盒內(nèi)砂子質(zhì)量)記為 M。圖實 4 10(1) 驗證在質(zhì)量不變的情況下，加速度與合力成正比。從盒子中取出一些砂子，裝入砂桶中， 稱量并記錄砂桶的總重力，將該力視為合力，對應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中mgF計算得出。 多次改變合力 F 的大小， 每次都會得到一個相應(yīng)的加速度。本次實驗中，桶內(nèi)的砂子取自小車中，故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變。以合力F 為橫軸，以加速度a 為縱軸，畫出a F圖象，圖象是一條過原點的直線。 aF 圖象斜率的物理意義是 _ 。你認(rèn)為把砂桶的總重力 mg當(dāng)做合力 F 是否合理？答： _。 ( 選填“合理”或“不合理”) 本次實驗中，是否應(yīng)該滿足 M? m這樣的條件？答： _( 選填“是”或“否” ) ；理由是 _ 。(2) 驗證在力不變的情況下，加速度與質(zhì)量成反比。保持桶及桶內(nèi)砂子質(zhì)量m不變，在盒子內(nèi)添加或去掉一些砂子，驗證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。本次實驗中， 桶內(nèi)的砂子總質(zhì)量不變，故系統(tǒng)所受的合力不變。用圖象法處理數(shù)據(jù)時，以加速度a 為縱軸，應(yīng)該以 _的倒數(shù)為橫軸。解析 (1)將車內(nèi)的砂子轉(zhuǎn)移到桶中，就保證了 M m不