2020届高三物理一轮复习 第三章 实验四 验证牛顿运动定律课件

核心考点•互动探究目录ONTENTSC章末检测卷实验四验证牛顿运动定律第三章牛顿运动定律一、实验目的1．学会用控制变量法研究物理规律；2．学会灵活运用图象法处理实验数据的方法；3．探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律．二、实验原理与要求[基本实验要求]1．实验原理(见实验原理图)(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系．(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系．(3)作出aF图象和a1m图象，确定其关系．2．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、毫米刻度尺．3．实验步骤(1)测量：用天平测量小盘和砝码的总质量m′和小车的质量m.(2)安装：按照实验原理图把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)．(3)平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑．(4)操作：①小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码．②保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤①.③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.④描点作图，作aF的图象．⑤保持砝码和小盘的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a1m图象．[规律方法总结]1．注意事项(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，但要小车拉着纸带．(2)实验时要保证小盘和砝码的总质量m′远小于小车的质量m.(3)不重复平衡摩擦力．(4)一先一后：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，后释放小车．2．误差分析(1)因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力m′g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．(2)摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行以及描点作图时都会引起误差．3．数据处理(1)利用逐差法Δx＝aT2求a.(2)以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比．(3)以a为纵坐标，1m为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比．考点一实验原理与实验操作1．[实验原理](1)我们已经知道，物体的加速度a同时跟合外力F和质量m两个因素有关，要研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是________．(2)某同学的实验方案如图所示，她想用沙桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减小这种做法带来的实验误差，她先做了两方面的调整措施：a．用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是_____________________________．b．使沙桶的总质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于___________．(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时，处理方案有两种：A．利用公式a＝2xt2计算；B．利用逐差法根据a＝ΔxT2计算．两种方案中，你认为选择方案________比较合理．解析：(1)要研究三个物理量之间的定量关系的思想方法是控制变量法．(2)用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡摩擦力．实验用沙桶的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，应使沙桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于沙桶的重力．(3)利用实验中打出的纸带求加速度时，需要根据a＝ΔxT2利用逐差法计算，方案B比较合理．答案：(1)控制变量法(2)a.平衡摩擦力B．沙桶的总重力(3)B2．[实验操作]在“探究加速度与力、质量的关系”时采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的总质量为M，沙桶及沙的总质量为m.(1)若已平衡摩擦力，在小车做匀加速直线运动过程中，绳的实际张力大小FT＝________，当M与m的大小满足________时，才可认为绳子对小车的拉力大小等于沙和沙桶的重力．(2)某同学在保持沙和沙桶总质量m一定的条件下，探究小车加速度a与质量M的关系，其具体操作步骤如下，则做法合理的有________．A．平衡摩擦力时，沙桶应用细线通过定滑轮系在小车上且小车后面的纸带也必须连好B．每次改变小车质量M时，都需要重新平衡摩擦力C．实验时，先接通计时器的电源，再放开小车D．用天平测出m及M，直接用公式a＝mgM求出小车运动的加速度解析：(1)由牛顿第二定律知，对小车有FT＝Ma，对沙和沙桶有mg－FT＝ma，所以FT＝MmgM＋m＝mg1＋m/M，可见当M≫m时，FT≈mg.(2)平衡摩擦力时，应在不挂沙桶的情况下让小车带着纸带平衡摩擦力，A错误；每次改变小车质量M时，不需要重新平衡摩擦力，B错误；实验时，先接通计时器的电源，再放开小车，C正确；小车运动的加速度必须由纸带上的测量数据计算得到，D错误．答案：(1)mg1＋m/MM≫m(2)C[规律总结]1．平衡小车摩擦力后，细绳的拉力即为小车的合外力．2．只有满足沙桶及桶内沙的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量时，细绳的拉力才近似等于沙桶及桶内沙的总重力．3．可以在绳子上加上力传感器，这样就可以直接测出绳子的拉力，即小车的合外力．考点二数据处理及误差分析3．[实验数据处理](2019·宁夏石嘴山高三月考)在“探究加速度与质量的关系”的实验中：(1)备有器材：A.长木板；B.电磁打点计时器、低压交流电源、纸带；C.细绳、小车、砝码；D.装有细沙的小桶；E.薄木板；F.毫米刻度尺．还缺少的一件器材是________．(2)实验得到如图(a)所示的一条纸带，相邻两计数点的时间间隔为T；B、C间距x2和D、E间距x4已量出，利用这两段间距计算小车加速度的表达式为________．(3)同学甲根据实验数据画出如图(b)所示a­1m图线，从图线可得沙和沙桶的总质量为________kg.(g取10m/s2)(4)同学乙根据实验数据画出了图(c)，从图线可知乙同学操作过程中可能_________．解析：(1)本题要测量小车的质量，则需要天平，所以还缺少的一件器材是天平．(2)根据逐差法得x4－x2＝2aT2，解得a＝x4－x22T2.(3)根据牛顿第二定律可知，a＝Fm，则F即为a­1m图象的斜率，所以砂和砂桶的总重力m′g＝F＝2.412N＝0.2N，解得m′＝0.02kg.(4)由图(c)可知，图线不通过坐标原点，当F为某一值时，加速度为零，可知未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足．答案：(1)天平(2)a＝x4－x22T2(3)0.02(0.018～0.022均正确)(4)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足4．[实验误差分析]“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示，已知打点计时器所用电源频率为50Hz，试回答下列问题．(1)实验中在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示，A、B、C、D、E、F、G这些点的间距如图中标示，其中每相邻两点间还有4个计时点未画出．根据测量结果计算：打C点时小车的速度大小为________m/s；小车运动的加速度大小为________m/s2.(结果保留三位有效数字)(2)平衡好摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上．挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度．根据小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据作出的a­F图线如图丙所示，此图线不通过原点的主要原因是________________________________________________________.(3)在某次利用上述已调整好的装置进行实验时，保持砝码盘中砝码个数不变，小车自身的质量保持不变(已知小车的质量远大于砝码盘和盘中砝码的质量)，在小车上加一个砝码，并测出此时小车的加速度a，调整小车上的砝码，进行多次实验，得到多组数据，以小车上砝码的质量m为横坐标，相应加速度的倒数1a为纵坐标，在坐标纸上作出如图丁所示的1am关系图线，实验结果验证了牛顿第二定律．如果图中纵轴上的截距为b，图线的斜率为k，则小车受到的拉力大小为________，小车的质量为________．解析：(1)纸带上两相邻计数点的时间间隔为T＝0.10s，s1＝9.50cm、s2＝11.00cm、s3＝12.55cm、s4＝14.00cm、s5＝15.50cm、s6＝17.05cm，在匀变速直线运动中，物体在某段时间内中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，可知打C点时小车的速度大小为vC＝s2＋s32T，代入数值得vC＝1.18m/s，小车的加速度大小为a＝s4＋s5＋s6－s1＋s2＋s39T2＝1.50m/s2.(2)平衡摩擦力后，F＝0时就产生了加速度，主要原因是未计入砝码盘的重力．(3)设小车的质量为M，由牛顿第二定律可得F＝(m＋M)a，即1a＝1Fm＋MF，由图象可知1F＝k，MF＝b，所以F＝1k，M＝bk.答案：(1)1.181.50(2)未计入砝码盘的重力(3)1kbk[规律总结]1．图象法处理实验数据一直是高考考查的热点，一般会要求根据数据画出图象、根据图象分析误差原因或根据图象斜率和截距等得出相关物理量．2．在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比，那么，x就应与1y成正比，利用此方法可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理．考点三实验创新设计高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础上创设新情境，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、设计性等特点．创新角度实验装置图创新解读(2014·高考新课标全国卷Ⅰ)利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度．实验器材的创新(2013·高考新课标全国卷Ⅰ)用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度，并用所求速度、光电门间的距离及遮光片通过光电门的时间求加速度.创新角度实验装置图创新解读实验过程的创新(2016·高考全国卷Ⅲ)1.实验方案的改进：系统总质量不变化，改变拉力得到若干组数据．2．用传感器记录小车的时间t与位移s，直接绘制s­t图象．3．利用牛顿第二定律求解实验中的某些物理量，确定某些规律．创新角度实验装置图创新解读实验目的的创新(2015·高考全国卷Ⅱ)1.以验证牛顿第二定律为背景测物块与斜面(木板)的动摩擦因数．2．物块受重力、支持力和摩擦力作用沿斜面匀加速下滑，合外力提供加速度.5.(2015·高考全国卷Ⅱ)某同学用图甲所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数．已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图乙所示，图中标出了五个连续点之间的距离．(1)物块下滑时的加速度a＝________m/s2，打C点时物块的速度v＝________m/s；(2)已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是________(填正确答案标号)．A．物块的质量B．斜面的高度C．斜面的倾角解析：(1)用逐差法求纸带加速度，a＝x3＋x4－x1＋x24T2＝3.25m/s2C点速度等于BD段平均速度，v＝xBD2T≈1.79m/s(2)由牛顿第二定律得mgsinθ－μmgcosθ＝ma，μ＝gsinθ－agcosθ，故C正确．答案：(1)3.251.79(2)C6．(2014·高考新课标全国卷Ⅰ)某同学利用图(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：(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_______________________________________________________