2021屆高考物理一輪復(fù)習(xí)第三章力與運動實驗四驗證牛頓運動定律學(xué)案粵教版

1、實驗四驗證牛頓運動定律一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)探究方法控制變量法(1)平衡：必須平衡摩擦力(改變小車或重物質(zhì)量，無需重新平衡摩擦力)(2)質(zhì)量：重物的總質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量(若使用力傳感器，或以小車與重物的系統(tǒng)為研究對象無需滿足此要求)(3)要測量的物理量小車與其上砝碼的總質(zhì)量(天平)小車受到的拉力(約等于重物的重力)小車的加速度(根據(jù)紙帶用逐差法或根據(jù)光電門數(shù)據(jù)計算加速度)(4)其他：細繩與長木板平行；小車從靠近打點計時器的位置釋放，在到達定滑輪前按住小車，實驗時先接通電源，后釋放小車二、數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)論(1)利用sat2及逐差法求a。(2)以a為縱坐標，f為橫坐標，根據(jù)各組數(shù)據(jù)

2、描點，如果這些點在一條過原點的直線上，如圖1甲所示，說明a與f成正比。圖1(3)以a為縱坐標，為橫坐標，描點、連線，如果該線為過原點的直線，如圖乙所示，就能判定a與m成反比。注意事項(1)平衡摩擦力的方法：在長木板無滑輪的一端墊上小木塊，使其適當(dāng)傾斜，利用小車重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡。(2)判斷小車是否做勻速直線運動，一般可目測，必要時可通過打點紙帶，看上面各點間的距離是否均勻。(3)平衡摩擦力時要注意以下幾點平衡摩擦力時不能在輕繩的另一端掛托盤平衡摩擦力必須讓小車連上紙帶，且讓打點計時器處于工作狀態(tài)平衡摩擦力時可借助紙帶上點跡是否均勻來判斷誤差分析(1)質(zhì)量的測量、紙帶上計數(shù)點間距離

3、的測量、拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差。(2)實驗原理不完善引起誤差。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使小車所受的阻力被平衡，當(dāng)小車做加速運動時，可以得到ag，ftmg，只有當(dāng)mm時，才可近似認為小車所受的拉力ft等于mg，所以本實驗存在系統(tǒng)誤差。(3)平衡摩擦力不準確會造成誤差。教材原型實驗命題角度實驗原理與實驗操作【例1】 (1)我們已經(jīng)知道，物體的加速度a同時跟合外力f和質(zhì)量m兩個因素有關(guān)。探究這三個物理量之間的定量關(guān)系的思想方法是_。(2)某同學(xué)的實驗方案如圖2所示，他想用沙和沙桶的總重力表示小車受到的合外力f，為了減小這種做法帶來的實驗誤差，他先做了兩方面的調(diào)整措施：圖2用小木塊將長木板不帶定

4、滑輪的一端墊高，目的是_。使沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，目的是使拉小車的力近似等于_。(3)該同學(xué)利用實驗中打出的紙帶求加速度時，處理方案有兩種：a.利用公式a計算；b.根據(jù)a，利用逐差法計算。兩種方案中，你認為選擇方案_比較合理。解析(1)探究這三個物理量之間的定量關(guān)系的思想方法是控制變量法。(2)想用沙和沙桶的總重力表示小車受到的合外力f，為了減小這種做法帶來的實驗誤差，應(yīng)使沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量；還要用小木塊將長木板不帶定滑輪的一端墊高，目的是平衡摩擦力。(3)利用實驗中打出的紙帶求加速度時，需要根據(jù)a，利用逐差法計算，選項b正確。答案(1)控制變量法(2)平衡摩擦力沙和

5、沙桶的總重力(3)b拓展訓(xùn)練1 如圖3所示，某學(xué)生實驗小組定量探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。實驗時使小車在砝碼和托盤的牽引下運動。圖3(1)實驗室準備了打點計時器及配套的電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙及如圖所示的器材。若要完成該實驗，必需的實驗器材還有_。(2)為達到平衡摩擦力的目的，取下細繩和托盤，通過調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做_運動。(3)實驗開始時，先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使牽引小車的細繩與木板平行。這樣做的目的是_(填選項前的字母)。a.避免小車在運動過程中發(fā)生抖動b.可使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰c.可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運動d.可在平衡摩擦

6、力后使細繩拉力等于小車受的合力答案(1)天平、刻度尺(2)勻速直線(3)d拓展訓(xùn)練2 為了探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，甲、乙、丙三位同學(xué)分別設(shè)計了如圖4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。甲乙丙圖4(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_(填選項前的字母)。a.三組實驗中只有甲同學(xué)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(xué)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)

7、量m遠小于小車的質(zhì)量m的條件(2)若乙、丙兩位同學(xué)發(fā)現(xiàn)某次測量中力傳感器和彈簧測力計讀數(shù)相同，通過計算得到小車加速度均為a(g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，則乙、丙兩位同學(xué)實驗時所用的小車質(zhì)量之比為_，乙、丙兩位同學(xué)實驗時所用的鉤碼總質(zhì)量之比為_。答案(1)bc(2)1212命題角度數(shù)據(jù)處理與誤差分析【例2】 某同學(xué)用如圖5甲所示的裝置做“探究物體的加速度與力的關(guān)系”的實驗。實驗時保持小車的質(zhì)量不變，用鉤碼的重力作為小車受到的合外力，根據(jù)打點計時器在小車后端拖動的紙帶上打出的點跡計算小車運動的加速度。圖5(1)實驗時先不掛鉤碼，反復(fù)調(diào)整墊木的位置，直到小車做勻速直線運動，這樣做的目的是_。(2)圖乙為實

8、驗中打出的一條紙帶的一部分，從比較清晰的點跡起，在紙帶上標出了連續(xù)的5個計數(shù)點a、b、c、d、e，相鄰兩個計數(shù)點之間都有4個點跡沒有標出，測出各計數(shù)點到a點之間的距離，如圖乙所示。已知打點計時器接在頻率為50 hz的交流電源兩端，則此次實驗中小車運動的加速度的測量值a_m/s2。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)圖6(3)實驗時改變所掛鉤碼的質(zhì)量，分別測量小車在不同外力作用下的加速度。根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)畫出af關(guān)系圖線，如圖6所示。試分析：圖線不通過坐標原點o的原因是_；圖線上部彎曲的原因是_。解析(1)反復(fù)調(diào)整墊木的位置，直到小車做勻速直線運動，目的是平衡摩擦阻力。(2)由逐差法求解加速度，a，其中s

9、ab3.90 cm，sbc4.90 cm，scd5.90 cm，sde6.90 cm，t0.1 s，則a1.0 m/s2。(3)由af圖象可知，當(dāng)加速度為0時，外力f0，圖線不過原點o的原因是沒有平衡摩擦力或摩擦力平衡不夠。小車的加速度實際是amg，開始時，由于滿足mm，圖線斜率近似為，其圖線近似為直線，隨著m的增大，af圖線的斜率不再是，而是，故圖線上部是彎曲的。答案(1)平衡小車運動中受到的摩擦阻力(2)1.0(3)沒有平衡摩擦力或摩擦力平衡不夠未滿足鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量拓展訓(xùn)練3 某組同學(xué)設(shè)計了“探究加速度a與物體所受合力f及質(zhì)量m的關(guān)系”實驗。如圖7甲為實驗裝置簡圖，a為小車，b為電

10、火花計時器，c為裝有細砂的小桶，d為一端帶有定滑輪的長方形木板，實驗中認為細繩對小車的拉力f等于細砂和小桶的總重力，小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得。圖7(1)如圖乙為某次實驗得到的紙帶，已知實驗所用電源的頻率為50 hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計時器打b點時的速度為_m/s，小車的加速度大小為_m/s2。(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(2)在“探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系”時，某同學(xué)按照自己的方案將實驗數(shù)據(jù)都在坐標系中進行了標注，但尚未完成圖象(如圖丙所示)。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標系中的圖象。(3)在“探究加速度a與合力f的關(guān)系”時，該同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力f的圖線如圖丁所示

11、，該圖線不通過坐標原點，試分析圖線不通過坐標原點的原因：_。解析(1)b點的瞬時速度為vb m/s1.6 m/s，由逐差法求解小車的加速度，a m/s23.2 m/s2。(2)根據(jù)描點法作出圖象，如圖所示。(3)圖線不通過坐標原點，f不為零時，加速度仍為零，則實驗前沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不夠。答案(1)1.63.2(2)見解析圖(3)實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠?qū)嶒炌卣箘?chuàng)新命題角度實驗方案的改進(合力測量的創(chuàng)新)【例3】 (2020福建六校聯(lián)考)為了探究物體質(zhì)量一定時加速度與力的關(guān)系，甲、乙同學(xué)設(shè)計了如圖8所示的實驗裝置，其中m為小車的質(zhì)量，m為砂和砂桶的總質(zhì)量，m0為滑輪的質(zhì)量

12、。力傳感器可測出輕繩中的拉力大小。圖8(1)實驗時，一定要進行的操作是_。a.用天平測出砂和砂桶的總質(zhì)量b.將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力c.小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄力傳感器的示數(shù)d.為減小誤差，實驗中一定要保證砂和砂桶的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量m(2)甲同學(xué)在實驗中得到如圖9所示的一條紙帶(兩計數(shù)點間還有四個點沒有畫出)，已知打點計時器采用的是頻率為50 hz的交流電，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度為_m/s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。圖9(3)甲同學(xué)以力傳感器的示數(shù)f為橫軸，加速度a為縱軸，畫出的af圖線是一條直線，如圖10所示，圖線與橫軸的夾

13、角為，求得圖線的斜率為k，則小車的質(zhì)量m_。圖10圖11a. b.m0c.m0 d.(4)乙同學(xué)根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出如圖11所示的af圖線，該同學(xué)做實驗時存在的問題是_。解析(1)驗證牛頓第二定律的實驗原理是fma，本題繩中拉力可以由力傳感器測出，不需要用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量，也就不需要使砂和砂桶的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量m，a、d錯誤；用力傳感器測量繩子的拉力，則力傳感器示數(shù)的2倍等于小車受到的合外力大小，需要平衡摩擦力，b正確；釋放小車之前應(yīng)先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放小車，該實驗還需要記錄力傳感器的示數(shù)，c正確。(2)由逐差法計算加速度a2.00 m/s2。(3)對小車與滑輪組成的系統(tǒng)，

14、由牛頓第二定律得af，圖線的斜率為k，則k，故小車的質(zhì)量mm0，故選項c正確。(4)圖線在f軸上的截距不為零，說明力傳感器顯示有拉力時，小車仍然靜止，這是沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠造成的。答案(1)bc(2)2.00(3)c(4)沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠命題角度加速度測量方案的創(chuàng)新【例4】 如圖12(a)(b)所示分別為甲、乙兩位同學(xué)探究加速度與力的關(guān)系的實驗裝置示意圖，他們在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個光電門b，滑塊上固定一寬度為d的遮光條，由數(shù)字計時器(圖中未畫出)可讀出遮光條通過光電門的時間。甲同學(xué)直接用細線跨過定滑輪把滑塊和鉤碼連接起來如圖(a)，乙同學(xué)用細線繞過定滑輪把滑塊與力傳感

15、器相連，傳感器下方懸掛鉤碼如圖(b)，每次滑塊都從a處由靜止釋放。圖12(1)實驗時應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)軌水平，在不增加其他實驗器材情況下，如何判定調(diào)節(jié)到位？_。(2)實驗時，兩同學(xué)首先將滑塊從a位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門b的時間t，若要得到滑塊的加速度，還需要測量的物理量是_。(3)甲、乙兩位同學(xué)通過改變鉤碼的個數(shù)來改變滑塊所受的合外力，甲同學(xué)在實驗時還需要測量記錄的物理量有_，實驗時必須滿足的條件是_；乙同學(xué)在實驗時需要測量記錄的物理量有_。(4)乙同學(xué)在完成實驗時，下列不必要的實驗要求是_。(填選項前字母)a.應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量

16、b.應(yīng)使a位置與光電門間的距離適當(dāng)大些c.應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平d.應(yīng)使細線與氣墊導(dǎo)軌平行解析(1)判定調(diào)節(jié)到位的依據(jù)是在不掛鉤碼時，滑塊能在任意位置靜止不動。(2)兩種情況下，滑塊在導(dǎo)軌上均做勻加速直線運動，滑塊的初速度為零。到達光電門b的瞬時速度v，根據(jù)初速度為零的勻加速直線運動公式v22as可知，只要測出a位置與光電門b間的距離l即可求得滑塊的加速度。(3)甲同學(xué)所做實驗中滑塊(設(shè)質(zhì)量為m)和鉤碼(設(shè)質(zhì)量為m)所受的合外力等于鉤碼的重力mg，則有mg(mm)a，所以甲同學(xué)還需要測量所掛鉤碼的質(zhì)量m和滑塊的質(zhì)量m，在實驗時，認為滑塊所受合外力等于鉤碼的重力，為了盡量減小實驗誤差，應(yīng)滿足條件m

17、m；乙同學(xué)所做實驗中，力傳感器測出的力就是細線對滑塊的真實拉力(設(shè)為ft，可直接讀出)，則有ftma，所以需要記錄傳感器的讀數(shù)和測量滑塊的質(zhì)量m。(4)力傳感器測出的力就是細線對滑塊的真實拉力，不存在系統(tǒng)誤差，無需滿足滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量；測量距離時，適當(dāng)增大測量距離可以減小測量誤差；實驗時要滿足氣墊導(dǎo)軌水平且細線與導(dǎo)軌平行。答案(1)在不掛鉤碼時，滑塊能在任意位置靜止不動(2)a位置與光電門b間的距離l(3)所掛鉤碼的質(zhì)量m和滑塊的質(zhì)量mmm傳感器的讀數(shù)和滑塊的質(zhì)量m(4)a命題角度實驗方案的創(chuàng)新【例5】 (2019湖南湘潭三模)實驗小組用如圖13甲所示器材探究加速度與外力的

18、關(guān)系。水平桌面上放有相同的兩輛小車，兩輛小車左右兩端各系一條細繩，左端的細繩都繞過定滑輪并各掛一個質(zhì)量不同的鉤碼。用黑板擦把兩輛小車右端的細線按在桌面上，使小車靜止。實驗前，通過墊高桌子右端的方式來平衡摩擦力。實驗時抬起黑板擦，兩輛小車同時由靜止開始運動，按下黑板擦，兩輛小車同時停下，用刻度尺測出兩輛小車通過的位移。圖13(1)本實驗將鉤碼的重力當(dāng)作小車受到的外力，應(yīng)使鉤碼的質(zhì)量_(填 “遠大于”“遠小于”或“等于”)小車質(zhì)量；若小車所受外力的計算存在誤差，則此類誤差屬于_(填“系統(tǒng)”或“偶然”)誤差。(2)經(jīng)過測量，兩輛小車通過的位移分別為s1、s2，兩鉤碼的質(zhì)量分別為m1、m2，只要滿足關(guān)

19、系式_，就可驗證小車的加速度與其所受外力成正比。(3)為了使實驗結(jié)果更加精確，某同學(xué)利用拉力傳感器和速度傳感器來做實驗，如圖乙所示，在長木板上相距為l的a、b兩點各安裝一個速度傳感器，分別記錄小車到達a、b兩點時的速率，實驗中使用的小車及拉力傳感器總質(zhì)量約為200 g，每個鉤碼的質(zhì)量約為50 g。主要實驗步驟如下：調(diào)整長木板的傾斜角度，平衡小車受到的摩擦力；由靜止釋放小車，讀出拉力傳感器的讀數(shù)f，讓小車依次經(jīng)過位于a、b兩點的速度傳感器，記錄速度va和vb，并計算出小車的加速度a；增加鉤碼數(shù)量；重復(fù)步驟，得到多組數(shù)據(jù)，并作出af圖象，步驟中小車的加速度a_(請用題中符號表示)；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的af圖象最接近_。解析(1)當(dāng)鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量時，可以近似認為小車受到的拉力等于鉤碼的重力；小車所受外力的計算存在誤差，此類誤差屬于系統(tǒng)誤差。(2)小車做初速度為零的勻加速直線運動，位移為sat2t2，則有，只要滿足，就可驗證小車的加速度與其所受外力成正比。(3)小車做