2020高考物理一轮总复习 第三章 牛顿运动定律 实验课 验证牛顿运动定律课件 新人教版

第三章牛顿运动定律验证牛顿运动定律栏目导航12板块一基础回顾板块二考点突破基础回顾明体系、知细节、强化提能板块一一、实验基础知识二、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与小车和小车上砝码总质量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．三、误差分析1．测量误差(1)质量的测量．(2)点间距的测量．2．操作误差(1)拉线或纸带与木板不平行．(2)平衡摩擦力不准确，木板倾角偏大或偏小．3．作图误差描点不准确，连线时不在直线上的点不能对称地分布在直线两侧．4．系统误差本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车受到的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．四、注意事项1．平衡摩擦力：平衡摩擦力时，要调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力．此时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，要让小车拖着纸带运动．2．实验条件：M≫m.只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．3．一先一后：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，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．4．作图：作图时两轴标度比例要适当，各物理量采用国际单位，这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些.考点突破研典例、练高分、考点通关板块二考点一实验原理与操作——师生共研|研典例|【例】(2018届北京市东城区一模)用如图所示的装置验证牛顿第二定律．(1)除了图中所给器材以及交流电源和导线外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________(选填正确选项的字母)．A．秒表B．天平(含砝码)C．弹簧测力计D．刻度尺(2)实验前平衡小车与木板间摩擦力的做法是：把实验器材安装好，先不挂重物，将小车放在木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器．用垫块把木板一端垫高，接通打点计时器，让小车以一定初速度沿木板向下运动，并不断调节木板的倾斜度，直到小车拖动纸带沿木板做________运动．(3)为使砂桶和砂的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力，需满足的条件是砂桶及砂的总质量________(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)小车的总质量．(4)实验中打出的一条纸带的一部分如图所示．纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C，相邻计数点之间还有4个点没有标出．打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上．则打点计时器打B点时，小车的速度vB＝________m/s.多测几个点的速度做出v­t图象，就可以算出小车的加速度．(5)为研究加速度和力的关系，要保证________的总质量不变，改变砂桶内砂的质量，重复做几次实验，通过实验数据来研究加速度和力的关系．(6)在研究加速度与质量的关系时，要保证砂和砂桶的质量不变．若砂和砂桶的质量m与小车的总质量M间的关系不满足第(3)问中的条件，由实验数据作出a和1M＋m的图线，则图线应如图中的________所示(选填正确选项的字母)．[解析](1)本实验的目的是探究加速度与力、质量关系，用砂桶的重力代表小车受到的合外力，需要用天平测砂桶和小车的质量，故B正确；打点计时器的工作频率为50Hz，周期为0.02s，可以计时，不需要秒表，故A错误；托盘和砝码的重力提供拉力，不需要弹簧测力计，故C错误；打点计时器打下纸带，需用刻度尺测量距离，以求加速度和瞬时速度，故D正确，故选BD.(2)在验证牛顿第二定律时小车需平衡摩擦力，直到小车在木板上做匀速运动．(3)砂桶和小车一起运动，根据牛顿第二定律，对砂桶：mg－F＝ma，对小车：F＝Ma，可得小车受到的拉力F＝MmgM＋m，本实验用砂桶的重力代表小车受到的拉力，由F＝MmgM＋m＝mg1＋mM，可知Fmg；只有m≪M时，才有F≈mg，所以满足的条件为砂和砂桶的总质量远小于小车和车上砝码的总质量．(4)因相邻计数点之间还有4个点没有标出，故相邻计数点的时间为T＝0.1s，根据平均速度的推论得，B点的瞬时速度等于AC段的平均速度，则有vB＝xAC2T＝13.30－4.502×0.1×10－2＝0.44m/s.(5)为研究加速度和力的关系，要保证小车的质量不变．(6)砂桶和小车一起运动，根据牛顿第二定律，对砂桶：mg－F＝ma，对小车：F＝Ma，联立得a＝1M＋mmg，而砂和砂桶的质量m不变，由此可知a­1M＋m是一条通过原点的直线，故选C.[答案](1)BD(2)匀速(3)远小于(4)0.44(0.43～0.45均可)(5)小车(6)C|练高分|1．(2018届江西重点中学联考)(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，需采用的思想方法是________．(2)某同学的实验方案如图所示，她想用砂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：①用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是________________．②使砂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________________．(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．根据逐差法利用a＝ΔxT2计算两种方案中，选择方案________比较合理．解析：(1)要研究物体的加速度a与合外力F和质量M之间的关系，应采用控制变量法．(2)①用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡小车的摩擦力．②只有在满足砂桶的质量远小于小车的质量时，拉力才可近似等于砂桶的重力．(3)计算加速度时，用逐差法误差较小．答案：(1)控制变量法(2)①平衡摩擦力②砂桶的重力(3)B2．如图所示，为验证牛顿第二定律的实验装置示意图．(1)平衡小车所受阻力的操作：取下________，把木板不带滑轮的一端垫高；接通电火花计时器电源，轻推小车，让小车拖着纸带运动．如果打出的纸带如图所示，则应________(选填“减小”或“增大”)木板的倾角，反复调节，直到纸带上打出的点迹________为止．(2)图为研究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量的关系”时所得的实验图象，横坐标m为小车上钩码的质量．设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿第二定律成立，则小车受到的拉力为________，小车的质量为________．解析：(1)平衡小车所受阻力时，需要将钩码取下；题图纸带反映了小车在做加速运动，即垫木垫高了，应减小木板的倾角，直到纸带打出的点迹均匀为止．(2)当小车上没有钩码时，小车加速度为a0＝1b，设小车的质量为M，则小车受到的拉力为F＝Ma0＝Mb；题图中直线的函数关系式为1a＝km＋b，根据牛顿第二定律F＝(m＋M)a，可解得M＝bk，F＝1k.答案：(1)钩码减小间隔相等(均匀)(2)1kbk考点二数据处理与分析——师生共研|研典例|【例】(2016年全国卷Ⅲ)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：(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图象，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图象如图(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图象．从图象可以看出：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．(5)利用a­n图象求得小车(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)描点及图象如图所示．(5)由(4)图象求得斜率k＝0.20m/s2.由牛顿第二定律得nm0g＝(m＋Nm0)a，整理得a＝m0gm＋Nm0·n，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＝1＋μm0gm＋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|练高分|1．(2019届泉州质检)某兴趣小组用如图所示的装置测量滑块与木板之间的动摩擦因数μ，在一端带有定滑轮的水平长木板上固定A、B两个光电门，装有遮光片的滑块用跨过定滑轮的水平细绳与托盘相连．实验时，测出托盘和盘中砝码的总质量为m，滑块的质量为M，两光电门之间的距离为s，遮光片的宽度为d；让滑块由静止开始运动，记录遮光片通过A、B两光电门的遮光时间分别为t1、t2，该小组用托盘和砝码的总重力来代替细绳对滑块的拉力，重力加速度为g.(1)滑块运动的加速度a＝________(用d、t1，t2、s来表示)．(2)滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________(用a、m、M、g表示)．(3)关于本实验的误差，下列说法正确的是________．A．μ的测量值比真实值小B．μ的测量值比真实值大C．增加滑块的质量M可减小实验误差D．增加托盘和盘中砝码的总质量m可减小实验误差解析：(1)从A到B，根据匀变速直线运动的规律：dt22－dt12＝2as，解得加速度a＝12sdt22－dt12.(2)根据牛顿第二定律：mg－μMg＝Ma，得μ＝mg－MaMg.(3)实验中忽略了托盘和砝码质量m，mg－μMg＝(M＋m)a，即μ＝mg－M＋maMg，所以μ的测量值比真实值大，A错误，B正确；当m远小于M时，才可用托盘和砝码的总重力来代替细绳对滑块的拉力，所以为减小实验误差，可增加M或减小m，C正确，D错误．答案：(1)12sdt22－dt12(2)mg－MaMg(3)BC2．(2018届江苏省六市第一次调研)实验小组采用如图甲所示实验装置测量木块与木板间动摩擦因数μ，提供的器材有：带定滑轮的长木板，有凹槽的木块，质量为20g的钩码若干，打点计时器，电源，纸带，细线等．实验中将部分钩码悬挂在细线下，剩余的钩码放在木块的凹槽中，保持长木板水平，利用打出的纸带测量木块的加速度．(1)正确进行实验操作，得到一条纸带，从某个清晰的打点开始，依次标注0、1、2、3、4、5、6，分别测出位置0到位置3、位置6间的距离，如图乙所示．已知打点周期T＝0.02s，则木块的加速度a＝________m/s2.(2)将木块凹槽中的钩码逐个添加到细线下端，改变悬挂钩码的总质量m，测得相应的加速度a，作出a­m图象如图丙所示．已知当地重力加速度g＝9.8m/s2，则木块与木板间