高考物理大一輪復習 第三章 實驗四 驗證牛頓運動定律

高考物理大一輪復習第三章實驗四驗證牛頓運動定律課件第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日[實驗目的]1.學會用控制變量法研究物理規(guī)律。知識梳理2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。3.掌握靈活運用圖象處理問題的方法。[實驗原理]控制變量法:在所研究的問題中,有兩個以上的參量在發(fā)生牽連變化時,可

以控制某個或某些量不變,只研究其中兩個量之間的變化關(guān)系的方法。這

也是物理學中研究問題時經(jīng)常采用的方法。本實驗中,研究的參量為F、m和a,可以控制參量m不變,研究F與a的關(guān)系,也

可控制參量F不變,研究m與a的關(guān)系。第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日[實驗步驟]如圖所示

[實驗器材]打點計時器,紙帶及復寫紙,小車,一端附有定滑輪的長木板,小盤和砝碼,細

繩,低壓交流電源,導線,天平,刻度尺。第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M0。2.把一端附有定滑輪的長木板放在實驗桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點計

時器固定在長木板上遠離滑輪的一端,連接好電路。3.平衡摩擦力:小車的尾部掛上紙帶,紙帶穿過打點計時器的限位孔,將木板

無滑輪的一端稍微墊高一些,使小車在不掛小盤和砝碼的情況下,能沿木板

做勻速直線運動。這樣小車所受重力沿木板的分力與小車所受的滑動摩

擦力平衡。在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下,可以近似

認為小盤和砝碼的總重力的大小等于小車所受的合外力的大小。第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日4.把小車停在打點計時器處,掛上小盤和砝碼,先接通電源,再讓小車拖著紙

帶在木板上做勻加速運動,打出一條紙帶。計算小盤和砝碼的總重力,即為

小車所受的合外力,由紙帶計算出小車的加速度,并把力和對應的加速度填

入表(一)中。5.改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù),重復步驟4,并多做幾次。6.保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變,在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量,讓小車

在木板上滑動打出紙帶,計算砝碼和小車的總質(zhì)量M,并由紙帶計算出小車

對應的加速度。第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日7.改變小車上砝碼的個數(shù),重復步驟6,并將所對應的質(zhì)量和加速度填入表

(二)中。表(一)實驗次數(shù)加速度a/(m·s-2)小車受力F/N1

2

3

4

第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日表(二)實驗次數(shù)加速度a/(m·s-2)小車和砝碼總質(zhì)量M/kg1

2

3

4

第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.需要計算各種情況下所對應的小車的加速度,可使用“研究勻變速直線

運動”的方法:先在紙帶上標明計數(shù)點,測量各計數(shù)點間的距離,根據(jù)公式a

=

計算加速度。[數(shù)據(jù)處理]2.需要記錄各組對應的加速度a與小車所受牽引力F,然后建立直角坐標系,

用縱坐標表示加速度a,橫坐標表示牽引力F,描點畫a-F圖象,如果圖象是一

條過原點的直線,便證明在質(zhì)量一定時,加速度與作用力成正比。再記錄各

組對應的加速度a與小車和砝碼總質(zhì)量M,然后建立直角坐標系,用縱坐標

表示加速度a,橫坐標表示總質(zhì)量的倒數(shù)

,描點畫a-

圖象,如果圖象是一條過原點的直線,就證明了在合外力一定時,加速度與質(zhì)量成反比。第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日[誤差分析]1.質(zhì)量的測量誤差,紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差,細繩或紙

帶不與木板平行等都會造成誤差。2.因?qū)嶒炘聿煌晟圃斐烧`差:本實驗中用小盤和砝碼的總重力代替小車

受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力),存在系

統(tǒng)誤差。小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量,誤差就越大;反之,小盤

和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,誤差就越小。3.平衡摩擦力不準造成誤差:在平衡摩擦力時,除了不掛小盤外,其他的都跟

正式實驗一樣(比如要掛好紙帶、接通打點計時器),勻速運動的標志是打

點計時器打出的紙帶上各點的距離相等。第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日[注意事項]1.在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,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.實驗步驟2、3不需要重復,即整個實驗平衡了摩擦力后,不管以后是改變

小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量,都不需要重新平衡摩

擦力。3.每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠大于小盤和砝碼

的總質(zhì)量的條件下打出。只有如此,小盤和砝碼的總重力才可視為小車受

到的拉力。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前按住小車。第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日5.作圖象時,要使盡可能多的點落在所作直線上,不在直線上的點應盡可能

對稱分布在所作直線兩側(cè)。6.作圖時兩軸標度比例要選擇適當,各量須采用國際單位。這樣作圖線時,

坐標點間距不至于過密,誤差會小些。7.為提高測量精度(1)應舍掉紙帶上開頭比較密集的點,在后邊便于測量的地方找一個起點。(2)可以把每打五次點的時間作為時間單位,即從開始點起,每五個點標出一

個計數(shù)點,而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T=0.1s。第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.在利用打點計時器和小車來做“驗證牛頓運動定律”的實驗時,下列說

法中錯誤的是

(

)A.平衡摩擦力時,應將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過細繩拴在小車上B.連接砝碼盤和小車的細繩應跟長木板保持平行C.平衡摩擦力后,長木板的位置不能移動D.小車釋放前應靠近打點計時器,且應先接通電源再釋放小車

答案

A本題考查實驗過程中應注意的事項,選項A中平衡摩擦力時,不能將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過細繩拴在小車上,A錯;選項B、C、D符合正確的操作方法,B、C、D對。第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.如圖所示的實驗裝置可以驗證牛頓運動定律,小車上固定一個盒子,盒子

內(nèi)盛有沙子,沙桶的總質(zhì)量(包括桶以及桶內(nèi)沙子質(zhì)量)記為m,小車的總質(zhì)

量(包括小車、盒子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量)記為M。

(1)驗證在質(zhì)量不變的情況下,加速度與合外力成正比:從盒子中取出一些沙子,裝入沙桶中,稱量并記錄沙桶的總重力mg,將該力視為合外力F,對應的加速度a則從打下的紙帶上計算得出。多次改變合外力F的大小,每次都會得到一個相應的加速度。本次實驗中,桶內(nèi)的沙子取自小車中,故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變。以合外力F為橫軸,以加速度a為縱軸,畫出a-F圖象,圖象是一條過原點的直線。第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日①a-F圖線斜率的物理意義是

。②你認為把沙桶的總重力mg當做合外力F是否合理?答:

。(填“合理”或“不合理”)③本次實驗中,是否應該滿足M?m這樣的條件?答:

(填“是”或“否”);理由是

。(2)驗證在合外力不變的情況下,加速度與質(zhì)量成反比:保持桶內(nèi)沙子質(zhì)量m不變,在盒子內(nèi)添加或去掉一些沙子,驗證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。本次實驗

中,桶內(nèi)的沙子總質(zhì)量不變,故系統(tǒng)所受的合外力不變。用圖象法處理數(shù)據(jù)時,以加速度a為縱軸,應該以

的倒數(shù)為橫軸。第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日

答案

(1)①

②合理③否因為實驗的研究對象是整個系統(tǒng),系統(tǒng)受到的合外力就等于mg

(2)M+m

解析

(1)將車內(nèi)的沙子轉(zhuǎn)移到桶中,就保證了M+m不變,即系統(tǒng)的總質(zhì)量不變,研究對象是整個系統(tǒng),a=

=

,可見a-F圖線斜率的物理意義是

,系統(tǒng)所受的合外力就等于所懸掛沙桶的總重力mg,不必滿足M?m這樣的條件。(2)向盒子內(nèi)添加或去掉部分沙子,是改變系統(tǒng)的總質(zhì)量M+m,而系統(tǒng)的合

外力仍等于所懸掛沙桶的總重力mg,保證了合外力不變。第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.為了探究加速度與力的關(guān)系,使用如圖所示的氣墊導軌裝置進行實驗。

其中G1、G2為兩個光電門,它們與數(shù)字計時器相連,當滑行器通過G1、G2光

電門時,光束被遮擋的時間Δt1、Δt2都可以被測量并記錄,滑行器連同上面

固定的一條形擋光片的總質(zhì)量為M,擋光片寬度為D,光電門間距離為x,牽

引砝碼的質(zhì)量為m?；卮鹣铝袉栴}:(1)實驗開始前應先調(diào)節(jié)氣墊導軌下面的螺釘,使氣墊導軌水平,在不增加其第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日他儀器的情況下,如何判定調(diào)節(jié)是否到位?答:

。(2)若取M=0.4kg,改變m的值,進行多次實驗,以下m的取值不合適的一個是

。A.m1=5gB.m2=15gC.m3=40gD.m4=400g(3)在此實驗中,需要測得每一個牽引力對應的加速度,其中求得的加速度的

表達式為:

。(用Δt1、Δt2、D、x表示)第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日推滑行器,數(shù)字計時器記錄每一個光電門的光束被擋的時間Δt都相等

(2)

D

(3)a=

解析

(1)如果氣墊導軌水平,則不掛砝碼時,滑行器應能在任意位置靜止不動,或推動滑行器后能使滑行器勻速運動。(2)應滿足M?m,故m4=400g不合適。(3)由v1=

,v2=

,

-

=2ax可得:a=

。

答案

(1)取下牽引砝碼,滑行器放在任意位置都不動;或取下牽引砝碼,輕第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日4.如圖為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機)探究加速度和力的

關(guān)系”的實驗裝置。(1)在該實驗中必須采用控制變量法,應保持

不變,用鉤碼所受的重

力作為

,用DIS測小車的加速度。(2)改變所掛鉤碼的數(shù)量,多次重復測量。在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)

據(jù)可畫出a-F關(guān)系圖線(如圖所示)。第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日

①分析此圖線的OA段可得出的實驗結(jié)論是

。②此圖線的AB段明顯偏離直線,造成此誤差的主要原因是

。A.小車與軌道之間存在摩擦

B.導軌保持了水平狀態(tài)C.所掛鉤碼的總質(zhì)量太大

D.所用小車的質(zhì)量太大第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日

答案

(1)小車的總質(zhì)量小車所受合外力(2)①在質(zhì)量不變的條件下,加速度與合外力成正比②C

解析

(1)因為要探究“加速度和力的關(guān)系”,所以應保持小車的總質(zhì)量不變,鉤碼所受的重力作為小車所受合外力。(2)由于OA段a-F關(guān)系圖線為一傾斜的直線,所以在質(zhì)量不變的條件下,加速

度與合外力成正比;AB段明顯偏離直線是由于沒有滿足M?m造成的。第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日典例1在探究加速度與物體所受合外力和質(zhì)量間的關(guān)系時,采用如圖所示的實驗裝置,小車及車中的砝碼質(zhì)量用M表示,盤及盤中的砝碼質(zhì)量用m表示,小車的加速度可由小車后拖動的紙帶上由打點計時器打出的點計算出:一、實驗原理、步驟重難突破(1)當M與m的大小關(guān)系滿足

時,才可以認為細線對小車的拉力大

小等于盤和盤中砝碼的重力。第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日B.每次改變小車的質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力C.實驗時,先放開小車,再接通打點計時器電源D.小車運動的加速度可用天平測出m和M,直接用公式a=mg/M求出(3)在保持小車及車中的砝碼質(zhì)量M一定,探究加速度與所受合外力的關(guān)系

時,由于平衡摩擦力時操作不當,兩位同學得到的a-F關(guān)系分別如圖中甲、

乙所示(a是小車的加速度,F是細線作用于小車的拉力)。(2)一組同學在保持盤及盤中的砝碼質(zhì)量一定的情況下,探究加速度與小車

質(zhì)量的關(guān)系,以下做法正確的是

(

)A.平衡摩擦力時,應將盤及盤中的砝碼用細線繞過定滑輪系在小車上其原因分別是:甲圖:

;乙圖:

。第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日

解析

(1)對盤及盤中砝碼:mg-T=ma;對小車:T=Ma,聯(lián)立可得:a=

,T=

mg,只有當m?M時,才可認為T≈mg。(2)平衡摩擦力時,先去掉盤、盤中砝碼和細線,只讓小車在重力沿斜面方向

的分力作用下向左運動,當小車能勻速運動時,重力沿斜面方向的分力和摩

擦力平衡,A不正確;調(diào)好后,當再次改變小車質(zhì)量時,無需再平衡摩擦力,B正

確;實驗時,要先接通打點計時器的電源,使打點計時器正常工作,再釋放小

車,C不正確;小車的加速度是通過處理紙帶確定的,D不正確。(3)由甲圖可看出F=0時,a≠0,說明木板的傾角過大,重力沿斜面方向的分力

大于摩擦力。由乙圖可看出,只有當F達到一定值時,才會有加速度,說明平

衡摩擦力不足或未平衡摩擦力。

答案

(1)m?M

(2)B

(3)木板的傾角過大沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日甲二、實驗數(shù)據(jù)的處理及誤差分析典例2某同學設計了一個探究加速度與物體所受合外力F及質(zhì)量m的關(guān)

系實驗。如圖甲為實驗裝置簡圖,A為小車,B為打點計時器,C為裝有砂的砂

桶,D為一端帶有定滑輪的長方體木板,實驗中如果小車和小車上的砝碼的

總質(zhì)量遠大于砂和砂桶的總質(zhì)量,可認為細線對小車的拉力大小F等于砂

和砂桶的總重力,小車運動的加速度a可用紙帶上的點求得。乙第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日(1)圖乙為某次實驗得到的紙帶(