高考物理复习第三章牛顿运动定律实验四验证牛顿运动定律

实验四验证牛顿运动定律一、实验目的1．学会用控制变量法研究物理规律。2．探究加速度与力、质量的关系。3．掌握利用图像处理数据的方法。二、实验器材小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、天平、米尺。突破点(一)实验原理与操作[典例1](2013·天津高考)某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)下列做法正确的是________(填字母代号)。A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________木块和木块上砝码的总质量。(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙。(选填“大于”“小于”或“等于”)[答案](1)AD(2)远小于(3)小于大于[由题引知·要点谨记]1.实验操作步骤[对应第题]平衡木块的滑动摩擦力时，砝码桶不能拴在木块上。改变木块质量时，不需要重新平衡摩擦力。实验过程中，应先接通电源，再放开木块。2.实验原理的理解[对应第(2)题](1)平衡木块摩擦力后，细绳的拉力即为木块的合外力。(2)只有满足砝码桶及桶内砝码的总质量远小于木块和木块上砝码的总质量时，细绳的拉力才近似等于砝码桶及桶内砝码的总重力。3.利用图像分析实验结果[对应第(3)题](1)因没有平衡摩擦力，a­F图线为不过原点的倾斜直线。(2)利用a­F图线的斜率、截距的意义比较m、μ的大小。[集训冲关]1．利用如图所示装置可以做力学中的许多实验。(1)以下说法正确的是()A．用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和长木板间的摩擦阻力的影响B．用此装置“研究匀变速直线运动”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量C．用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，必须设法消除小车和长木板间的摩擦阻力的影响D．用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量(2)本装置中要用到打点计时器，如图所示为实验室常用的两种计时器，其中图甲用的电源要求是()A．交流220VB．直流220VC．交流4～6VD．直流4～6V(3)在利用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如图所示。已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，则此次实验中打点计时器打下A点时小车的瞬时速度为________m/s。(结果保留2位有效数字)解析：(1)用题图所示装置“研究匀变速直线运动”时，没必要消除小车和长木板间的摩擦阻力的影响，也没有必要使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量，A、B错误；在用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，必须设法消除小车和长木板间的摩擦阻力的影响。还应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量，这样才可认为细绳对小车的拉力等于盘和盘内砝码的重力，C、D正确。(2)甲是电火花计时器，需要接220V交流电源，A正确。(3)打点计时器打下A点时小车的瞬时速度为vA＝0.0210.04m/s≈0.53m/s。答案：(1)CD(2)A(3)0.532．(2017·天津和平区检测)小王同学在探究加速度与力、质量的关系时，小车及钩码的质量用M表示，砂桶及砂的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带计算出。(1)往砂桶中加入一定量的砂子，当M与m的大小关系满足________时，可近似认为绳对小车的拉力大小等于砂桶和砂的重力；在释放小车________(填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。(2)在平衡摩擦力后，他用打点计时器打出的纸带的一段如图所示，该纸带上相邻两个计数点间还有4个点未标出，打点计时器使用交流电的频率是50Hz，则小车的加速度大小是________m/s2，当打点计时器打B点时小车的速度是________m/s。(结果保留三位有效数字)(3)小张同学用同一装置做实验，他们俩在同一坐标系中画出的a­F关系图线如图所示，小张和小王同学做实验，哪一个物理量是不同的______________。解析：(1)小车实际的加速度为a＝mgM＋m，绳子拉力为F＝Ma＝mg1＋mM，因此只有当m≪M时，拉力F才近似等于mg；实验中应先接通电源再释放小车。(2)a＝xBD－xOB4T2＝0.390m/s2，vB＝xAC2T≈0.377m/s。(3)图线的斜率为小车及砝码的质量的倒数，因此小车及砝码的质量不同。答案：(1)m≪M之前(2)0.3900.377(3)小车及砝码的质量突破点(二)数据处理与误差分析[典例2]某次“探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系”实验过程是：(1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验得到的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1s，根据纸带可求出小车的加速度大小为______m/s2(结果保留两位有效数字)。(2)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，进行多次测量。根据实验数据做出了加速度a随拉力F的变化图线，如图所示。图中直线没有通过原点，其主要原因是______________________________________________________________________。(3)保持砂和砂桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度a、质量m及其对应的1m的数据如表中所示：实验次数12345678小车加速度a/(m·s－2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车和砝码质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.671m/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60[由题引知·要点谨记]1.利用纸带求解小车的加速度[对应第(1)题](1)逐差法求纸带加速度的公式a＝x3＋x4－x1＋x24T2。(2)注意对计算结果的有效数字位数要求。2.利用图像分析a、F间的关系及误差分析[对应第(2)题](1)保持小车质量不变时，a­F图像应为一条过原点的直线。(2)a­F图像不过原点可能是平衡小车摩擦力时没有达到实验要求所致。3.利用图像分析a、m间的关系[对应第(3)题](1)小车合力不变时，a、m之间成反比关系。(2)利用化曲为直的思想，作出a­1m关系图线，若得到过原点的倾斜直线，则小车合外力一定时，a、m之间成反比关系。a．请在坐标纸中画出a­1m图线：b．根据作出的a­1m图线可以得到的结论是：__________________________________。[答案](1)0.43(2)实验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)(3)a.如图所示b．图线为过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量成反比[集训冲关]3．用如图甲所示装置做“探究物体的加速度跟力的关系”的实验。实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度。(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫块的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_________________________________________________________________。(2)图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离，如图所示。已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a＝______m/s2。(结果保留两位有效数字)(3)实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出a­F关系图像，如图丙所示。此图像的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是________。(选填下列选项的序号)A．小车与平面轨道之间存在摩擦B．平面轨道倾斜角度过大C．所挂钩码的总质量过大D．所用小车的质量过大解析：(1)使平面轨道的右端垫起，让小车重力沿斜面方向的分力与它受到的摩擦阻力平衡，才能认为在实验中小车所受的合外力等于钩码的重力，所以这样做的目的是平衡小车运动中所受的摩擦阻力。(2)由逐差法可知a＝xCE－xAC4T2＝－8.79－－22m/s2≈1.0m/s2。(3)在实验中认为细绳的张力F等于钩码的重力mg实际上，细绳张力F′＝Ma，mg－F′＝ma即F′＝MM＋m·mg，a＝1M＋m·mg＝1M＋mF所以当细绳的张力F变大时，m必定变大，1M＋m必定减小。当M≫m时，a­F图像为直线，当不满足M≫m时，便有a­F图像的斜率逐渐变小偏离直线，选项C正确。答案：(1)平衡小车运动中所受的摩擦阻力(2)1.0(3)C4．(2016·全国丙卷)某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010kg。实验步骤如下：(a)(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。(2)将n(依次取n＝1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s­t图像，经数据处理后可得到相应的加速度a。(3)对应于不同的n的a值见下表。n＝2时的s­t图像如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表。n12345a/(m·s－2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点，并作出a­n图像。从图像可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。(b)(c)(5)利用a­n图像求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8m·s－2)。(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是________(填入正确选项前的标号)。A．a­n图线不再是直线B．a­n图线仍是直线，但该直线不过原点C．a­n图线仍是直线，但该直线的斜率变大解析：(3)根据题图(b)可知，当t＝2.00s时，位移s＝0.78m，由s＝12at2，得加速度a＝2st2＝0.39m/s2。(4)描点及图像如图所示。(5)由(4)图像求得斜率k＝0.20m/s2。由牛顿第二定律得nm0g＝(m＋Nm0)a，整理得a＝m0gm＋Nm0n，即k＝m0gm＋Nm0，代入数据得m＝0.44kg。(6)若保持木板水平，则所挂钩码总重力与小车所受摩擦力的合力提供加速度，即nm0g－μ[m＋(N－n)m0]g＝(m＋Nm0)a，整理得a＝＋μm0gm＋Nm0n－μg，可见a­n图线仍是直线，但不过原点，且斜率变大，选项B、C正确。答案：(3)0.39(4)见解析(5)0.44(6)BC突破点(三)实验的改进与创新[典例3]如图所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫导轨上安装了一个光电门B。滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放。(1)该同学用游标卡