驗證牛頓第二定律完整版

驗證牛頓第二定律一、實驗?zāi)康?．學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律。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。二、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(xué)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，可以控制參量三、實驗器材電磁打點計時器、復(fù)寫紙片和紙帶、一端有定滑輪的長木板、小車、小盤、低壓交流電源、天平、砝碼、刻度尺、導(dǎo)線。四、實驗步驟1．用天平測量小盤的質(zhì)量m和小車的質(zhì)量M。2．把一端附有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大小等于小車所受的合外力的大拖著紙帶在木板上勻加速下滑，打出一條紙帶。5．改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù)，重復(fù)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。7．改變小車上砝碼的個數(shù)，重復(fù)步驟6。五、實驗數(shù)據(jù)的處理方法——圖象法、化曲為直的方法1．探究加速度與力的關(guān)系2．探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系以a為縱坐標、M為橫坐標，根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標系中描點，將會得到MM3．方法總結(jié)利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實驗中常用的重要方法。在實驗中如果發(fā)現(xiàn)一1y個量x與另一個量y成反比，那么，x就應(yīng)與成正比。因為在處理數(shù)據(jù)時，y判斷正比例函數(shù)圖象比判斷一條曲線是否為反比例函數(shù)圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)的直線進行處理。六、注意事項1．一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力。在平衡摩擦力時，不要把懸掛重物的細線系在小車上，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(fù)，即整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變重物質(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 3．每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量的條件下打出。只有如此，重物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(yīng)盡量靠近打點計時器，并應(yīng)先接通電源，再放開小車，且應(yīng)在小車到達滑輪前按住小車。5．作圖象時，要使盡可能多的點在所作直線上，不在直線上的點應(yīng)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(dāng)。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，可以采取下列措施：(1)應(yīng)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(2)可以把每打五次點的時間作為時間單位，即從開始點起，每隔四個點七、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，拉線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：本實驗中用重物的重力代替小車受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于重物的重力)，存在系統(tǒng)誤差。重物質(zhì)量差越小。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。八、實驗改進本實驗中可以用氣墊導(dǎo)軌來代替長木板，這樣就省去了平衡小車摩擦力的麻煩，小車的加速度也可以利用傳感器，借助于計算機來處理。命題研究一、實驗器材、原理目的的考查【題例1】在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗時，已提供了小車、一端附有定滑輪的長木板、紙帶、帶小盤的細線、刻度尺、天平、導(dǎo)線。為了完成實驗，還須__①__，并分別寫出所選器材的作用 __②__。 命題研究二、實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析示意圖。砂和砂桶的總質(zhì)量為m，小車和砝碼的總質(zhì)量為M。實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小。(1)實驗中，為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力，先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度，使細線與長木板平行。接下來還需要進行的一項操作是()計時器通電，調(diào)節(jié)m的大小，使小車在砂和砂桶的牽引下運動，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動。B．將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶，撤去砂和砂桶，給打點計時器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動。C．將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，撤去紙帶以及砂和砂桶，輕推小A．M＝200g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40gB．M＝200g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120gC．M＝400g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40gD．M＝400g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120g計數(shù)點，相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出。量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為：s＝cm、s＝cm、s＝cm、s＝cm、s＝cm、s＝cm。已知打點計時器的工作頻率為50Hz，則小車的加速度a＝______ABcm。已知打點計時器的工作頻率為50Hz，則小車的加速度a＝______m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。命題研究三、創(chuàng)新實驗設(shè)計的考查【題例3】(2012·江西六校聯(lián)考)某實驗小組設(shè)計了如圖(a)所示的實拉力F的關(guān)系圖象。他們在軌道水平和傾斜的兩種情況下分別做了實驗，得(1)圖線________是在軌道左側(cè)抬高成為斜面情況下得到的(選填“①”或(2)滑塊和位移傳感器發(fā)射部分的總質(zhì)量m＝____kg；滑塊和軌道間的因數(shù)μ＝________。(a) 1．“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所(1)在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中，打出了一條紙帶如圖乙所示。計時器打點的時間間隔為s。從比較清晰的點起，每5個點取一個計數(shù)留兩位有效數(shù)字)(2)平衡摩擦力后，將5個相同的砝碼都放在小車上。掛上砝碼盤，然后 每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度。小車的加速砝砝碼盤中砝碼總重力F/N加速度請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在下圖中作出aF的關(guān)系圖象。2．(2013·安徽師范高中聯(lián)考)在探究物體的加速度a與物體所受外力FM中的砝碼甲(1)當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足______時，才可以認為繩子對小車的拉力大小等于盤和砝碼的重力。A．平衡摩擦力時，應(yīng)將盤及盤中的砝碼用細繩通過定滑輪系在小車上B．每次改變小車的質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力D．用天平測出m以及小車質(zhì)量M，小車運動的加速度可直接用公式a＝mgM求出M乙丙圖乙：______________________________________________________________；圖丙：______________________________________________________________3．為了探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規(guī)律，某同學(xué)采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實驗裝置(如圖甲所示)。實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運動的阻力。________(選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點。(2)從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量，得出各計數(shù)點的時間t與速度v時間t/s0速度請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出小車的v-t圖(3)通過對實驗結(jié)果的分析，該同學(xué)認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大。你是否同意他的觀點？請根據(jù)v-t圖象簡要闡述理由。4．(2012·合肥教學(xué)質(zhì)量檢測)某同學(xué)用如圖(a)所示裝置探究小車質(zhì)量一定時，加速度a與小車受力間的關(guān)系，在實驗中，他把帶輕質(zhì)定滑輪的長木板固定在水平桌面上，細繩系在小車上并繞過滑輪懸掛砂桶，并把砂桶和砂的重力當(dāng)作小車受到的合力F。根據(jù)多次實驗數(shù)據(jù)畫出了如圖(b)所示的a-(1)針對該同學(xué)的實驗裝置及實驗結(jié)果，下列分析正確的是()A．在小車運動時，繩對小車的拉力實際上略小于砂桶和砂的重力B．在小車運動時，小車受到的合力實際上小于繩的拉力C．a(chǎn)F關(guān)系圖線不過原點，說明小車的加速度與實際受到的合力不成正比(2)圖(c)為某次實驗得到的一條紙帶，0、1、2、3、4、5為六個計數(shù)常見動力學(xué)模型類問題的處理方法本章是中學(xué)物理的基本規(guī)律和核心知識，在整個物理學(xué)中占有非常重要的地位，考查本章知識點的試題題型靈活，常以新情境來考查，而且經(jīng)常與，2012年浙江理綜第23 題等。單獨考查的題型一般為選擇題，如2012年山東理綜第14、16題，高考中主要從以下幾個方面進行考查：1．要求靈活運用隔離法和整體法求解加速度相等的連2．用正交分解法解決受力較為復(fù)雜的問題，在正交的兩個方向上應(yīng)用牛頓運動定律；3．綜合運用牛頓運動定律和運動學(xué)規(guī)律分析、解決問題?？v觀近幾年高考對本章考查的特點和規(guī)律，預(yù)計2014年高考對本章知識的考查仍作為重點，考題往往綜合牛頓運動定律和運動學(xué)規(guī)律進行考查，考題中注重與電場、磁場的滲透，并常與生活、科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等實際問題相聯(lián)系。 物體沿著位于同一豎直圓上的所有光滑細桿由靜止下滑，到達圓周最低點的時間相等，像這樣的豎直圓我們簡稱為“等時圓”。如圖甲。推論：物體從最高點由靜止開始沿不同的光滑細桿到圓周上各點所用的時間相等。如圖乙。【例題1】如圖所示，位于豎直平面內(nèi)的固定光滑圓軌道與水平軌道面兩點從靜止開始沿光滑傾斜直軌道運動到M點；c球由C點自由下落到M1．知識概要與方法歸納“傳送帶類問題”分水平、傾斜兩種：按轉(zhuǎn)向分順時針、逆時針兩種。受力和運動分析受力分析中的摩擦力突變(大小、方向)——發(fā)生在v與v相同的時物帶刻；運動分析中的速度變化——相對運動方向和對地速度變化。 分析關(guān)鍵是：①v、v的大小、方向；②mgsinθ與F的大小與方物帶f(2)傳送帶問題中的功能分析FkpF帶帶(F由傳送帶受力平衡求得)。b．產(chǎn)生的內(nèi)能：Q＝F·|x|c．如物體無初速度，c．如物體無初速度，放在水平傳送帶上，則在整個加速過程中物體獲得的動能Ek、因為摩擦而產(chǎn)生的熱量Q有如下規(guī)律：Ek12帶＝Q＝mv2帶2．典型例題與規(guī)律總結(jié)(1)水平放置運行的傳送帶處理水平放置的傳送帶問題，首先應(yīng)對放在傳送帶上的物體進行受力分析，分清物體所受摩擦力是阻力還是動力；然后對物體進行運動狀態(tài)分析，即對靜態(tài)→動態(tài)→終態(tài)進行分析和判斷，對其全過程作出合理分析、推論，進而采用有關(guān)物理規(guī)律求解。這類問題可分為：①運動學(xué)型；②動力學(xué)型；③能量守恒型；④圖象型。 平傳送帶裝置示意圖。緊繃的傳送帶AB始終保持恒定的速率v＝1m/s運行，一質(zhì)量為m＝4kg的行李無初速度地放在A處，傳送帶對行李的滑動摩擦力使行李開始做勻加速直線運動，隨后行李又以與傳送帶相等的速率做勻的動摩擦因數(shù)μ＝，A、B間的距離L＝2(1)求行李剛開始運動時所受滑動摩擦力的大小與加速度的大??； (2)求行李做勻加速直線運動的時間； (3)如果提高傳送帶的運行速率，行李就能被較快地傳送到B處，求行 解題要點：(2)傾斜傳送帶模型問題因涉及斜面上物體的受力分析、牛頓運動定律、運動過程分析等較多知識，難度較大。求解的關(guān)鍵在于認真分析物體與傳送帶的相對運動情況，從而確定是否受到滑動摩擦力作用。如果受到滑動摩擦力作用應(yīng)進一步確定其大小和方向，然后根據(jù)物體的受力情況確定物體的運動情況。當(dāng)物體速度與傳送帶速度相等時物體所受的摩擦力有可能發(fā)生突變。行，在傳送帶的A端輕輕放一個小物體，物體與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)μ送帶逆時針方向轉(zhuǎn)動。參考答案考向探究突破點計時器、鉤碼、砝碼或電火花計時器、鉤碼、砝碼②學(xué)生電源為電磁打點計時器提供交流電壓；電磁打點計時器(電火花計時器)記錄小車運動的位置和時間；砝碼用以改變小車的質(zhì)量；鉤碼用以改變小車受到拉力的大小，還可用于測量小車質(zhì)量。解析：為測量小車的加速度，需要記錄小車運動的位置和時間，這可利用打點計時器和紙帶完成。所以，實驗中應(yīng)有打點計時器。實驗中需要改變小車的質(zhì)量，這可通過在小車上添加鉤碼來實現(xiàn)，所以實驗中應(yīng)有鉤碼。實驗中還需要改變小車所受拉力的大小，這可通過改變盤中的砝碼的數(shù)目來改變，所以實驗中應(yīng)有砝碼。 學(xué)生電源為電磁打點計時器提供交流電源；電磁打點計時器(電火花計時器)記錄小車運動的位置和時間；鉤碼用以改變小車的質(zhì)量；砝碼用以改變小車受到的拉力的大小，還可用于測量小車的質(zhì)量。解析：(1)需要將長木板一端適當(dāng)墊起一定高度，以平衡摩擦力，完成此項工作的標志就是不掛砂桶條件下小車能帶動紙帶勻速運動(通過打點計時器點痕間隔是否均勻判定)。(2)根據(jù)實驗原理：實驗中小車的實際加速度為a＝最合理。s＋s＋s－s＋s＋s 解析：(1)圖線①所受拉力F＝0時加速度不為零，說明圖線①是在軌道左側(cè)抬高成為斜面情況下得到的。f1222f2演練鞏固提升1)(2)見解析(3)未計入砝碼盤的重力(3)小車、砝碼盤和砝碼組成的系統(tǒng)所受合外力為砝碼盤和砝碼的總重aa2．答案：(1)mM(2)B(3)m過大(或M過小)，造成m不是遠小于M木板的傾角過大解析：(1)實驗中的實際加速度為mg拉力，即忽略mmg拉力，即忽略m對加速度的影響，使加速度約為a＝M(2)平衡摩擦力的實質(zhì)是，讓重力的下滑分力Mgsinθ＝μMgcosθ①，只需將紙帶掛上，不需施加其他外力，(2)平衡摩擦力的實質(zhì)是，讓重力的下滑分力Mgsinθ＝μMgcosθ①，只需將紙帶掛上，不需施加其他外力，A錯；由①式可知B對；每次實驗時應(yīng)先接通打點計時器的電源，再放開小車，C錯；小車的加速度應(yīng)由小有加速度，顯然平衡摩擦力過頭，即木板的傾角過大。(3)同意。在v-t圖象中，速度越大時，加速度越小，小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大。力，因此小車運動后合力不是繩子的拉力，而是繩子的拉力減去少許未平衡fFMF－fM，(2)相鄰計算點間的時間間隔T＝5×s＝s，x＝cm，x＝cm1335而1、3之間和3、5之間時間間隔都為2T＝s，則有3513專題