高考物理一轮复习-第3章-牛顿运动定律实验4-验证牛顿运动定律学案-新人教版

1实验四验证牛顿运动定律(对应学生用书第51页)一、实验目的验证牛顿第二定律；学会用控制变量法研究物理规律；学会利用图象处理数据．二、实验原理保持作用力不变，确定加速度与质量的大小关系；保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系；作出a­F图象和a­1M图象，确定其关系．三、实验器材小车，砝码，小盘，细线，附有定滑轮的长木板，垫木，打点计时器，低压交流电源，导线两根，纸带，复写纸，托盘天平，米尺．四、实验步骤1．称量质量——用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0．2．安装器材——按照如图实­4­1所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)．图实­4­13．平衡摩擦力——在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态．4．让小车靠近打点计时器，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带．计算小盘和砝码的重力，即为小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并把力和对应的加速度填入表中．5．改变小盘内砝码的个数，重复步骤4，并多做几次．6．保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带．计算砝码和小车的总质量M，并由纸带计算出小车对应的加速度，并将所对应的质量和加速度填入表中．27．改变小车上砝码的个数，重复步骤6，并多做几次．五、数据处理1．计算加速度——先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度．2．作图象找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F，建立直角坐标系，描点画a­F图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与作用力成正比．再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M，建立直角坐标系，描点画a­1M图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比．六、误差来源1．测量误差(1)质量的测量．(2)打点间隔距离的测量．2．操作误差(1)拉线或纸带与木板不平行．(2)倾斜角度不当，平衡摩擦力不准．3．原理误差本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力)，存在系统误差．七、注意事项1．平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，且要让小车拖着纸带匀速运动．2．不重复平衡摩擦力：整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力．3．实验条件：每条纸带都必须在满足小车的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出．只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．4．一先一后一按住：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达定滑轮前按住小车．35．作图：作图时，两坐标轴的比例要适当，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧．(对应学生用书第52页)考点一|实验原理与操作某实验小组利用图实­4­2所示的装置探究加速度与力、质量的关系．图实­4­2(1)(多选)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________(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)木块和木块上砝码的总质量．(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图实­4­2所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，分别得到图实­4­3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”)【导学号：84370137】图实­4­3[解析](1)探究加速度与力、质量的关系时，牵引木块的细绳应与长木板平行；平4衡摩擦力时应不挂砝码桶；对于打点计时器，应先接通电源，再放开木块；平衡摩擦力后，改变木块上砝码的质量，不需要重新平衡摩擦力．选项A、D正确，选项B、C错误．(2)对于系统，根据牛顿第二定律，有a＝mgM＋m，牵引小车的拉力F＝Ma＝MmgM＋m．要使F＝mg，则M≈M＋m，即要求m≪M．(3)对于木块，根据牛顿第二定律，得a＝F－μMgM＝FM－μg，故a­F图象的斜率反映了木块质量的倒数．有1m甲1m乙，所以m甲m乙．当F＝0时，a＝－μg，即a­F图线在a轴上的截距为－μg，所以－μ甲g－μ乙g，即μ甲μ乙．[答案](1)AD(2)远小于(3)小于大于在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码质量用M表示，盘及盘中的砝码质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带上由打点计时器打出的点计算出：(1)当M与m的大小关系满足________时，才可以认为细线对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力．(2)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，两位同学得到的a­F关系分别如图中甲、乙所示(a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)．其原因分别是：甲图：__________________________________________________________乙图：__________________________________________________________[解析](1)对盘及盘中砝码：mg－F＝ma；对小车：F＝Ma，联立可得：a＝mgm＋M，F＝MM＋mmg，只有当m≪M时，才可认为F≈mg．(2)由甲图可看出F＝0时，a≠0，说明木板的倾角过大，重力沿斜面方向的分力大于摩擦力．由乙图可看出，只有当F达到一定值时，才会有加速度，说明平衡摩擦5力不足或未平衡摩擦力．[答案](1)m≪M(2)木板的倾角过大没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足考点二|数据处理与误差分析(2018·宁德质检)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：甲乙图实­4­4(1)图实­4­4甲所示为实验装置图．图实­4­4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，如图实­4­5所示．图中直线没有通过原点，其主要原因是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________．图实­4­5(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6a、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－21．901．721．491．251．000．750．500．30小车和砝码质量m/kg0．250．290．330．400．500．711．001．671m/kg－14．003．453．032．502．001．411．000．60a．请在坐标纸中画出a­1m图线：图实­4­6b．根据作出的a­1m图象可以得到的结论是：___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________．[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(2017·河北模拟)某同学用图甲所示的实验装置验证牛顿第二定律：甲7乙(1)通过实验得到如图乙所示的a­F图象，造成这一结果的原因是：在平衡摩擦力时木板与水平桌面的夹角________(选填“偏大”或“偏小”)．(2)该同学在平衡摩擦力后进行实验，实际小车在运动过程中所受的拉力________砝码和盘的总重力(填“大于”“小于”或“等于”)，为了便于探究、减小误差，应使小车质量M与砝码和盘的总质量m满足________的条件．(3)该同学得到如图丙所示的纸带．已知打点计时器电源频率为50Hz．A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点．Δx＝xDG－xAD＝________cm．由此可算出小车的加速度a＝________m/s2．(结果保留两位有效数字)丙[解析](1)根据所给的a­F图象可知，当F＝0时，小车已经有了加速度a0，所以肯定是在平衡摩擦力时木板与水平桌面间的夹角偏大造成的．(2)根据牛顿第二定律，对小车F＝Ma，对砝码和盘mg—F＝ma，解得F＝MmgM＋mmg，只有当M≫m时，小车受到的拉力才近似等于mg，从而减小误差．(3)由题图丙可读出xAD＝2．10cm，xDG＝3．90cm，所以Δx＝xDG－xAD＝1．80cm，根据Δx＝aΔt2，解得a＝5．0m/s2．[答案](1)偏大(2)小于M≫m(3)1．805．0考点三|实验拓展与创新视角1：换用实验器材(例如：如图所示)甲乙8丙丁视角2：数据的处理方法例如，如图所示创新点1实验装置创新1．某同学利用图实­4­7(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图(b)所示．实验中小车(含发射器)的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到．回答下列问题：(a)(b)图实­4­7(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成____________(选填“线性”或“非线性”)关系．(2)由图(b)可知，a­m图线不经过原点，可能的原因是_______________________________________________________________．(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是_____________________________________，钩码的质量应满足的条件是________________________________________________________________________________________________________．【导学号：84370138】9[解析](1)由图象可知小车的加速度与钩码的质量成非线性关系．(2)a­m图线不经过原点，在m轴上有截距，即挂上小钩码后小车加速度仍为零，可能的原因是存在摩擦力．(3)本实