（通用版）2020高考物理大一輪復習 第3單元 牛頓運動定律 實驗四 驗證牛頓第二定律課件 新人教版

1、實驗四 驗證牛頓第二定律 實驗溯本求源實驗熱點探究課時鞏固訓練教師備用習題 一、實驗目的 1.學會用法探究加速度a與力F、質(zhì)量M的關(guān)系. 2.掌握利用處理問題的方法. 二、實驗原理 本實驗中,探究加速度a與力F、質(zhì)量M的關(guān)系,可以先保持不變,研究a和M的關(guān) 系,再保持M不變,研究a和F的關(guān)系. 控制變量 圖像 F 實驗溯本求源 三、實驗器材 一端有定滑輪的長木板、復寫紙和紙帶、小車、小盤、重物、 電磁打點計時器、天平、砝碼、刻度尺、導線. 四、實驗步驟 1.用天平測出小車的質(zhì)量M和盤的質(zhì)量m0,把數(shù)值記錄下來. 2.把實驗器材安裝好. 3.平衡摩擦力:在長木板的不帶滑輪的一端下面墊上一塊薄木板

2、,反復移動其位置, 直至不掛盤和重物時小車剛好能在斜面上保持勻速直線運動為止. 低壓交流電源 實驗溯本求源 4.將盤和重物通過細繩系在小車上,接通電源,放開小車,使小車運動,用紙帶記錄小 車的運動情況,取下紙帶,并在紙帶上標上號碼. 5.保持小車的質(zhì)量不變,改變盤中重物的質(zhì)量,重復步驟4,每次記錄必須在相應的紙 帶上做上標記,將記錄的數(shù)據(jù)填寫在表格內(nèi). 6.建立坐標系,用縱坐標表示加速度,橫坐標表示力,在坐標系中描點,畫出相應的圖 線,探究a與F的關(guān)系. 7.保持盤和重物的質(zhì)量不變,改變小車的質(zhì)量(在小車上增減砝碼),探究a與M的關(guān) 系. 實驗溯本求源 熱點一實驗原理與實驗操作 實驗熱點探究

3、例1 在用如圖S4-1所示的裝置做“驗證牛頓第二定律”的實驗中,保持小車質(zhì)量一定 時,驗證小車加速度a與合外力F的關(guān)系. (1)除了電火花計時器、紙帶、刻度尺、 小車、砝碼、拴有細線的砝碼盤、附 有定滑輪的長木板、墊塊、導線及開 關(guān)外,在下列器材中還必須使用的 有(填選項前的字母). A.220 V、50 Hz的交流電源 B.電壓可調(diào)的直流電源 C.秒表 D.天平(附砝 碼) 圖S4-1 實驗熱點探究 (2)實驗中,需要平衡小車運動時的摩擦阻力,正確的做法是(填選項前的字母). A.小車放在木板上,把木板一端墊高,調(diào)節(jié)木板的傾斜程度,使小車在不受繩的拉力 時沿木板做勻速直線運動 B.小車放在木

4、板上,后面固定一條紙帶,紙帶穿過打點計時器,把木板一端墊高,調(diào)節(jié) 木板的傾斜程度,使小車在不受繩的拉力時能拖動紙帶沿木板做勻速直線運動 C.小車放在木板上,掛上砝碼盤,砝碼盤內(nèi)不放砝碼,把木板一端墊高,調(diào)節(jié)木板的傾 斜程度,使小車在砝碼盤的作用下沿木板做勻速直線運動 D.小車放在木板上,掛上砝碼盤,砝碼盤內(nèi)放入本次實驗所需的砝碼,把木板一端墊 高,調(diào)節(jié)木板的傾斜程度,使小車在砝碼盤和砝碼的作用下沿木板做勻速直線運動 實驗熱點探究 答案 (1)AD(2)B 解析 (1)除了電火花計時器、紙帶、刻度尺、小車、砝碼、拴有細線的砝碼盤、 附有定滑輪的長木板、墊塊、導線及開關(guān)外,還必須使用220 V、5

5、0 Hz的交流電 源和天平(附砝碼). (2)實驗中平衡小車運動時的摩擦阻力的正確做法是:小車放在木板上,后面固定 一條紙帶,紙帶穿過打點計時器,把木板一端墊高,調(diào)節(jié)木板的傾斜程度,使小車在 不受繩的拉力時能拖動紙帶沿木板做勻速直線運動. 實驗熱點探究 變式題 為了探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,甲、乙、丙三位同學分別設計了如圖 S4-2所示的實驗裝置,小車質(zhì)量用M表示(乙圖中M包括小車與傳感器,丙圖中M包 括小車和與小車固連的滑輪),鉤碼總質(zhì)量用m表示. 圖S4-2 實驗熱點探究 (1)為便于測量合外力的大小,并得到“小車質(zhì)量一定時,小車的加速度與所受合外力 成正比”的結(jié)論,下列說法正確的是(填

6、選項前的字母). A.三組實驗中只有甲同學的實驗需要平衡摩擦力 B.三組實驗都需要平衡摩擦力 C.三組實驗中只有甲同學的實驗需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量 M的條件 D.三組實驗都需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M的條件 實驗熱點探究 實驗熱點探究 答案 (1)BC(2)1212 解析 (1)本實驗的目的是探究加速度與合力、質(zhì)量的關(guān)系,必須平衡摩擦力才能 滿足繩對小車的拉力等于小車受到的合力,所以三組實驗都需要平衡摩擦力.甲 同學實驗中,繩的拉力是用鉤碼的重力替代的,因小車與鉤碼具有大小相等的加 速度,所以繩的拉力小于鉤碼的重力,只有在鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量時,繩 的

7、拉力才近似等于鉤碼的重力,甲同學實驗中必須滿足鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小 車的質(zhì)量M的條件;乙同學實驗中繩的拉力用力傳感器測出,不需要滿足鉤碼的總 質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M的條件;丙同學實驗中小車受到的拉力等于彈簧測力 計示數(shù)的2倍,不需要滿足鉤碼的質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M的條件,選項B、C正 確. 實驗熱點探究 實驗熱點探究 要點總結(jié) (1)在本實驗中,必須平衡摩擦力,在平衡摩擦力時,不要把盤和重物系在小車上,即 不要給小車加任何牽引力,并要讓小車拖著打點的紙帶運動. (2)安裝器材時,要調(diào)整滑輪的高度,使拴小車的細繩與長木板平行,且連接盤和重物 應在平衡摩擦力之后. (3)改變小車的質(zhì)量或拉力

8、的大小時,改變量應盡可能大一些,但應滿足盤和重物的 總質(zhì)量遠小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量.盤和重物的總質(zhì)量不超過小車和車上砝 碼總質(zhì)量的10%. (4)改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時小車應盡量靠近打點計時器,并應先接通電 源,再放開小車,且應在小車到達滑輪處前按住小車. 熱點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 例2 2018湖南張家界三模 某同學設計了一個實驗探究保持物體所受的合外力 不變情況下加速度a與物體質(zhì)量m的關(guān)系,如圖S4-3甲所示為實驗裝置簡圖.設沙和 沙桶的總質(zhì)量為m,改變小車的質(zhì)量M,研究小車的加速度a和質(zhì)量M之間的關(guān)系.在 平衡摩擦力之

9、后,打點計時器打出的某一條紙帶如圖乙所示,已知打點計時器所用 的交流電的頻率為f.試解答下列問題: 圖S4-3 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 變式題 2016全國卷 某物理課外小組利用圖S4-4中的裝置探究物體加速度與 其所受合外力之間的關(guān)系.圖中,置于實驗臺上的長木板水平放置,其右端固定一輕 滑輪;輕繩跨過滑輪,一端與放在木板上的小滑車相連,另一端可懸掛鉤碼.本實驗中 可用的鉤碼共有N=5個,每個質(zhì)量均為0.010 kg.實驗步驟如下: (1)將5個鉤碼全部放入小車中,在長木板左下方墊 上適當厚度的小物塊,使小車(和鉤碼)可以在木板 上勻速下滑. 圖S4-4 實驗熱

10、點探究 (2)將n(依次取n=1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端,其余N-n個鉤碼仍留在小車內(nèi);用手 按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車,同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其 起始位置的位移s,繪制s-t圖像,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應的加速度a. (3)對應于不同的n的a值見下表.n=2時的s-t圖像如圖S4-5所示;由圖求出此時小車 的加速度(保留2位有效數(shù)字),將結(jié)果填入下表. n12345 a/(ms-2)0.200.580.781.00 實驗熱點探究 (4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖S4-6中補齊數(shù)據(jù)點,并作出a-n圖像.從圖像可以看出:當物 體質(zhì)量一定時,物體的加速度與其所受的合外力成正

11、比. (5)利用a-n圖像求得小車(空載)的質(zhì)量為 kg.(保留2位有效數(shù)字,重力加速度 g取9.8 m/s2) 圖S4-5 圖S4-6 實驗熱點探究 (6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1),下列說法正確的是 (填選項前的 字母). A.a-n圖線不再是直線 B.a-n圖線仍是直線,但該直線不過原點 C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大 實驗熱點探究 答案 (3)0.39(0.370.49均可)(4)a-n圖線如圖所示 (5)0.45(0.430.47均可)(6)BC 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 要點總結(jié) (1)a-F圖線分析:“驗證牛頓第二定律”實驗得到的理想a-F圖

12、像應是一條過原點的 直線,但由于實驗誤差影響,常出現(xiàn)如圖S4-7所示的三種情況(說明見下表). 圖S4-7 實驗熱點探究 圖線特征產(chǎn)生原因 圖線的上部彎 曲 當小車受力F較大時,不滿足“盤和重物的總質(zhì)量遠小于小 車和車上砝碼的總質(zhì)量”的條件 圖線在a軸的 截距大于0 平衡摩擦力時長木板的傾角過大,F=0(即不掛盤和重物)時 小車就具有了加速度 圖線在F軸的 截距大于0 平衡摩擦力時長木板的傾角過小,或未平衡摩擦力.只有當 F增加到一定值時,小車才獲得加速度 實驗熱點探究 熱點三實驗拓展與創(chuàng)新 實驗熱點探究 例3 2018寧夏石嘴山一模 如圖S4-8甲所示是某同學探究加速度與力的關(guān)系的實 驗裝置

13、.他在氣墊導軌上安裝了一個光電門B,滑塊上固定一遮光條,滑塊用細線繞過 氣墊導軌左端的定滑輪與力傳感器相連,傳感器下方懸掛鉤碼,每次滑塊都從A處由 靜止釋放. 圖S4-8 實驗熱點探究 (1)該同學用游標卡尺測量遮光條的寬度d,如圖乙所示,則d=mm. (2)下列實驗要求中不必要的是(填選項前的字母). A.應使A位置與光電門間的距離適當大些 B.應將氣墊導軌調(diào)節(jié)水平 C.應使細線與氣墊導軌平行 D.應使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 實驗熱點探究 變式題 2018江西師大附中模擬 為了探究加速度與力的關(guān)系,某同學設計了如 圖S4-9所示的實驗裝

14、置,帶滑輪的長木板水平放置,板上有兩個光電門,相距為d,滑 塊通過細繩與重物相連,細繩的拉力F大小等于力傳感器的示數(shù).讓滑塊從光電門1 處由靜止釋放,記下滑到光電門2處的時間t.改變重物質(zhì)量來改變細繩拉力大小,重 復以上操作5次,得到下表中5組數(shù)據(jù). 圖S4-9 實驗熱點探究 根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖S4-10的坐標紙上畫出a-F圖像,由圖像可得滑塊質(zhì)量m= kg,滑塊和軌道間的動摩擦因數(shù)=.(g取10 m/s2,均保留兩位有效數(shù)字) 圖S4-10 實驗熱點探究 實驗熱點探究 要點總結(jié) 通過改變實驗條件、實驗儀器來設計題目,不脫離教材而又不拘泥于教材,體現(xiàn)開 放性、探究性、設計性等特點. 視角1實驗器

15、材的改進:用氣墊導軌替代長木板. 視角2數(shù)據(jù)處理方法的改進:小車的加速度可以利用傳感器,借助于計算機來處理. 視角3以本實驗為背景,結(jié)合牛頓第二定律,測量阻力或兩接觸面間的動摩擦因數(shù). 課時鞏固訓練 1.2018廈門外國語學校模擬 為了進行“驗證牛頓第二定律”的實驗,現(xiàn)提供如圖 S4-11甲所示的實驗裝置. 圖S4-11 課時鞏固訓練 (1)為了消除小車與水平木板之間的摩擦力的影響,應采取的做法是(填選 項前的字母). A.將木板不帶滑輪的一端適當墊高,使小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 B.將木板帶滑輪的一端適當墊高,使小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 C.將木板不帶滑輪的一端適當墊高,在不掛鉤

16、碼的情況下使小車恰好做勻速運動 D.將木板不帶滑輪的一端適當墊高,在不掛鉤碼的情況下使小車能夠靜止在木板 上 (2)有一組同學保持小車及車中的砝碼質(zhì)量一定,研究加速度a與所受外力F的關(guān)系, 他們在軌道水平和傾斜兩種情況下分別做了實驗,得到了兩條a-F圖線,如圖乙所 示.圖線(選填“”或“”)是在軌道傾斜情況下得到的;小車及車中砝碼 的總質(zhì)量m= kg. 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 2.2018廣東佛山二檢 如圖S4-12所示是研究加速度與合外力的關(guān)系的實驗裝置, 力傳感器固定在小車上,細線與力傳感器相連. (1)關(guān)于該實驗,下列說法正確的是(填選項前的字母). A.做實驗之前必須平衡摩擦力 B

17、.小車的質(zhì)量必須比所掛鉤碼的質(zhì)量大得多 C.應調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細線與木板平行 D.實驗開始時,小車最好離打點計時器遠一點 圖S4-12 課時鞏固訓練 (2)實驗中應(選填“改變”或“不改變”)實驗小車的質(zhì)量,(選填“改 變”或“不改變”)鉤碼的個數(shù),測定紙帶上點跡的間距,計算對應的加速度,同時記錄 ,通過數(shù)據(jù)的分析,尋找加速度與合外力間的關(guān)系. 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 3.2018云南師大附中模擬 某同學采用如圖S4-13甲所示的裝置探究“物體質(zhì)量一 定時,其加速度與合外力的關(guān)系”. 圖S4-13 課時鞏固訓練 (1)某同學由打點計時器得到表示小車運動過程的一條清晰紙帶如圖乙所示,紙帶

18、上相鄰兩計數(shù)點的時間間隔為T=0.10 s,其中s1=7.05 cm,s2=7.68 cm,s3=8.33 cm,s4=8.95 cm,s5=9.61 cm,s6=10.26 cm. 下表列出了打點計時器打下B、C、E、F時小車的瞬時速度,請在表中填入打點計 時器打下D點時小車的瞬時速度. 位置BCDEF 速度(ms-1)0.7370.8010.9280.994 課時鞏固訓練 (2)請以A點為計時起點,在圖S4-14中畫出小車 的速度時間關(guān)系圖線. (3)根據(jù)你畫出的小車的速度時間關(guān)系圖線計 算出小車加速度a= m/s2.(結(jié)果保留兩 位有效數(shù)字) 圖S4-14 課時鞏固訓練 (4)該同學最終

19、所得小車運動的a-F圖線如圖S4-15所示, 從圖中我們可以看出圖線是一條過原點的直線,根據(jù)該 圖線,下列判斷錯誤的是(填選項前的字母). A.本實驗中小車的質(zhì)量一定時,其加速度與所受合外力 成正比 B.小車的加速度可能大于重力加速度 C.可以確定小車的質(zhì)量約為0.50 kg D.實驗中配重的質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M圖S4-15 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 4.2018河北衡水中學模擬 如圖S4-16甲所示是某同學測量重力加速度的裝置.他 將質(zhì)量均為M的兩個重物用輕繩連接,輕繩跨過光滑的輕質(zhì)滑輪,系統(tǒng)處于靜止狀 態(tài).該同學在左側(cè)重物上附加一質(zhì)量為m的小重物,由于小重

20、物的重力作用而使系 統(tǒng)做初速度為零的緩慢加速運動,該同學用某種辦 法測出系統(tǒng)運動的加速度并記錄下來.完成一次 實驗后,換用不同質(zhì)量的小重物,并多次重復實驗, 測出不同m時系統(tǒng)的加速度a并做好記錄. 圖S4-16 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 5.在一端帶有定滑輪的足夠長的水平木板上,小周用物體A、B分別探究了加速度 隨所受拉力變化的關(guān)系,實驗裝置如圖S4-17甲所示(圖中打點計時器和紙帶未畫 出).實驗過程中小周用不同的重物P分別掛在光滑的輕質(zhì)動滑輪上,使平行于長木 板的細繩分別拉動長木板上的物體A、B由靜止開始加速運動(紙帶與打點計時器 之間的阻力及空氣阻力可忽略).實驗后進行

21、數(shù)據(jù)處理,小周得到了物體A、B的加速 度a與輕質(zhì)彈簧測力計彈力F的關(guān)系圖 線分別如圖乙中的A、B所示. 圖S4-17 課時鞏固訓練 (1)由圖甲判斷,下列說法正確的是(填選項前的字母). A.彈簧測力計示數(shù)等于物體受到的拉力大小 B.實驗時應先接通打點計時器電源,后釋放物體 C.實驗中重物P的質(zhì)量應遠小于物體的質(zhì)量 D.彈簧測力計的示數(shù)始終為重物P的重力大小的一半 (2)小周仔細分析了圖乙中兩條線不重合的原因,得出結(jié)論:兩個物體的質(zhì)量不相等, 且mA(選填“大于”“等于”或“小于”)mB;兩物體與木板之間的動摩擦因數(shù)A (選填“大于”“等于”或“小于”)B. 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 課時鞏

22、固訓練 6.為了驗證牛頓第二定律中加速度與力的關(guān)系,小光同學設計了如圖S4-18所示的 實驗裝置.水平桌面上放置帶有加速度傳感器的總質(zhì)量為M的小車,車的兩端由輕 質(zhì)細線繞過桌面兩端滑輪分別連接總質(zhì)量為m的多個鉤碼.實驗中,小光每次由左 側(cè)取下質(zhì)量為m的鉤碼并掛至右側(cè)鉤碼下方,將小車由靜止釋放,利用傳感器測量 小車加速度并逐次記錄移動的鉤碼 質(zhì)量和相應加速度值.根據(jù)多次實 驗得出的數(shù)據(jù),小光同學作出的a -m圖像如圖S4-19所示. 圖S4-18 圖S4-19 課時鞏固訓練 (1)根據(jù)上述設計,以下說法正確的是(填選項前的字母). A.由于系統(tǒng)存在摩擦,實驗中必須先平衡摩擦力,才能繼續(xù)進行實驗 B.本實驗中雖存在摩擦力影響,但無須平衡摩擦力也可進行實驗 C.本實驗中必須要求Mm D.本實驗中無須要求Mm (2)利用實驗中作出的a-m圖像,可以分析出系統(tǒng)摩擦力大小為,加速度a 與移動的鉤碼質(zhì)量m間存在的關(guān)系為. 課時鞏固訓練 課時鞏固訓練 7.要測量兩個質(zhì)量不等的沙袋的質(zhì)量,由于沒有直接的測量工具,某實驗小組選用 下列器材:輕質(zhì)定滑輪(質(zhì)量和摩擦可忽略)、砝碼一套(總質(zhì)量m=0.6 kg)、細線、 刻度尺、秒表.他們根據(jù)已學過的物理學知識,改變實驗條件進行多次測量,選擇合 適的變量得到線性關(guān)系,作出圖線并根據(jù)圖線的斜率和截距 求出沙袋