高考物理大一轮复习-第三章--实验四-验证牛顿运动定律.ppt

知识梳理,重难突破,栏目索引,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高考物理大一轮复习 第三章 实验四 验证牛顿运动定律课件,实验目的,1.学会用控制变量法研究物理规律。,知识梳理,2.探究加速度与力、质量的关系。,3.掌握灵活运用图象处理问题的方法。,实验原理,控制变量法:在所研究的问题中,有两个以上的参量在发生牵连变化时,可,以控制某个或某些量不变,只研究其中两个量之间的变化关系的方法。这,也是物理学中研究问题时经常采用的方法。,本实验中,研究的参量为,F,、,m,和,a,可以控制参量,m,不变,研究,F,与,a,的关系,也,可控制参量,F,不变,研究,m,与,a,的关系。,实验步骤,如图所示,实验器材,打点计时器,纸带及复写纸,小车,一端附有定滑轮的长木板,小盘和砝码,细,绳,低压交流电源,导线,天平,刻度尺。,m,0,和小车的质量,M,0,。,2.把一端附有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计,时器固定在长木板上远离滑轮的一端,连接好电路。,3.平衡摩擦力:小车的尾部挂上纸带,纸带穿过打点计时器的限位孔,将木板,无滑轮的一端稍微垫高一些,使小车在不挂小盘和砝码的情况下,能沿木板,做匀速直线运动。这样小车所受重力沿木板的分力与小车所受的滑动摩,擦力平衡。在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下,可以近似,认为小盘和砝码的总重力的大小等于小车所受的合外力的大小。,4.把小车停在打点计时器处,挂上小盘和砝码,先接通电源,再让小车拖着纸,带在木板上做匀加速运动,打出一条纸带。计算小盘和砝码的总重力,即为,小车所受的合外力,由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填,入表(一)中。,5.改变小盘内砝码的个数,重复步骤4,并多做几次。,6.保持小盘内的砝码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车,在木板上滑动打出纸带,计算砝码和小车的总质量,M,并由纸带计算出小车,对应的加速度。,7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并将所对应的质量和加速度填入表,(二)中。,表(一),实验次数,加速度,a,/(ms,-2,),小车受力,F,/N,1,2,3,4,表(二),实验次数,加速度,a,/(ms,-2,),小车和砝码总质量,M,/kg,1,2,3,4,1.需要计算各种情况下所对应的小车的加速度,可使用“研究匀变速直线,运动”的方法:先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据公式,a,=,计算加速度。,数据处理,a,与小车所受牵引力,F,然后建立直角坐标系,用纵坐标表示加速度,a,横坐标表示牵引力,F,描点画,a,-,F,图象,如果图象是一,条过原点的直线,便证明在质量一定时,加速度与作用力成正比。再记录各,组对应的加速度,a,与小车和砝码总质量,M,然后建立直角坐标系,用纵坐标,表示加速度,a,横坐标表示总质量的倒数,描点画,a,-,图象,如果图象是一,条过原点的直线,就证明了在合外力一定时,加速度与质量成反比。,误差分析,1.质量的测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差,细绳或纸,带不与木板平行等都会造成误差。,2.因实验原理不完善造成误差:本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车,受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),存在系,统误差。小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,小盘,和砝码的总质量越小于小车的质量,误差就越小。,3.平衡摩擦力不准造成误差:在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外,其他的都跟,正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标志是打,点计时器打出的纸带上各点的距离相等。,注意事项,1.在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上,即不要给小车加任,何牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运动。,2.实验步骤2、3不需要重复,即整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变,小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡摩,擦力。,的总质量的条件下打出。只有如此,小盘和砝码的总重力才可视为小车受,到的拉力。,4.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,再放开小车,且应在小车到达滑轮前按住小车。,5.作图象时,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能,对称分布在所作直线两侧。,6.作图时两轴标度比例要选择适当,各量须采用国际单位。这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。,(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点,在后边便于测量的地方找一个起点。,(2)可以把每打五次点的时间作为时间单位,即从开始点起,每五个点标出一,个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为,T,=0.1 s。,1.在利用打点计时器和小车来做“验证牛顿运动定律”的实验时,下列说,法中错误的是,(),A.平衡摩擦力时,应将砝码盘及盘内砝码通过细绳拴在小车上,C.平衡摩擦力后,长木板的位置不能移动,D.小车释放前应靠近打点计时器,且应先接通电源再释放小车,答案A本题考查实验过程中应注意的事项,选项A中平衡摩擦力时,不,能将砝码盘及盘内砝码通过细绳拴在小车上,A错;选项B、C、D符合正确的操作方法,B、C、D对。,2.如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律,小车上固定一个盒子,盒子,内盛有沙子,沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为,m,小车的总质,量(包括小车、盒子及盒内沙子质量)记为,M,。,(1)验证在质量不变的情况下,加速度与合外力成正比:从盒子中取出一些沙子,装入沙桶中,称量并记录沙桶的总重力,mg,将该力视为合外力,F,对应的加速度,a,则从打下的纸带上计算得出。多次改变合外力,F,的大小,每次都会得到一个相应的加速度。本次实验中,桶内的沙子取自小车中,故系统的总质量不变。以合外力,F,为横轴,以加速度,a,为纵轴,画出,a-F,图象,图象是一条过原点的直线。,a,-,F,图线斜率的物理意义是,。,你认为把沙桶的总重力,mg,当做合外力,F,是否合理?,答:,。(填“合理”或“不合理”),本次实验中,是否应该满足,M,m,这样的条件?,答:,(填“是”或“否”);,理由是,。,(2)验证在合外力不变的情况下,加速度与质量成反比:保持桶内沙子质量,m,不变,在盒子内添加或去掉一些沙子,验证加速度与质量的关系。本次实验,中,桶内的沙子总质量不变,故系统所受的合外力不变。,用图象法处理数据时,以加速度,a,为纵轴,应该以,的倒数为横轴。,答案(1),合理否因为实验的研究对象是整个系统,系统受到的合外力就等于,mg,(2),M,+,m,解析(1)将车内的沙子转移到桶中,就保证了,M,+,m,不变,即系统的总质量,不变,研究对象是整个系统,a,=,=,可见,a,-,F,图线斜率的物理意义,是,系统所受的合外力就等于所悬挂沙桶的总重力,mg,不必满足,M,m,这样的条件。,(2)向盒子内添加或去掉部分沙子,是改变系统的总质量,M,+,m,而系统的合,外力仍等于所悬挂沙桶的总重力,mg,保证了合外力不变。,是,系统所受的合外力就等于所悬挂沙桶的总重力mg,不必满足M,平衡摩擦力时,应将砝码盘及盘内砝码通过细绳拴在小车上,把一端附有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端,连接好电路。,如图为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)探究加速度和力的关系”的实验装置。,(2)由于OA段a-F关系图线为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速度与合外力成正比;AB段明显偏离直线是由于没有满足Mm造成的。,(2)由于OA段a-F关系图线为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速度与合外力成正比;AB段明显偏离直线是由于没有满足Mm造成的。,如图甲为实验装置简图,A为小车,B为打点计时器,C为装有砂的砂桶,D为一端带有定滑轮的长方体木板,实验中如果小车和小车上的砝码的总质量远大于砂和砂桶的总质量,可认为细线对小车的拉力大小F等于砂和砂桶的总重力,小车运动的加速度a可用纸带上的点求得。,(2)一组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下,探究加速度与小车质量的关系,以下做法正确的是(),(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点,在后边便于测量的地方找一个起点。,如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律,小车上固定一个盒子,盒子内盛有沙子,沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m,小车的总质量(包括小车、盒子及盒内沙子质量)记为M。,4 kg,改变m的值,进行多次实验,以下m的取值不合适的一个是。,不变,钩码所受的重力作为小车所受合外力。,把小车停在打点计时器处,挂上小盘和砝码,先接通电源,再让小车拖着纸带在木板上做匀加速运动,打出一条纸带。,不变,研究对象是整个系统,a=,可见a-F图线斜率的物理意义,答案A本题考查实验过程中应注意的事项,选项A中平衡摩擦力时,不,答案(1)小车的总质量小车所受合外力,小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,误差就越小。,3.为了探究加速度与力的关系,使用如图所示的气垫导轨装置进行实验。,其中,G,1,、,G,2,为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过,G,1,、,G,2,光,电门时,光束被遮挡的时间,t,1,、,t,2,都可以被测量并记录,滑行器连同上面,固定的一条形挡光片的总质量为,M,挡光片宽度为,D,光电门间距离为,x,牵,引砝码的质量为,m,。回答下列问题:,(1)实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉,使气垫导轨水平,在不增加其,他仪器的情况下,如何判定调节是否到位?,答:,。,(2)若取,M,=0.4 kg,改变,m,的值,进行多次实验,以下,m,的取值不合适的一个是,。,A.,m,1,=5 gB.,m,2,=15 g,C.,m,3,=40 gD.,m,4,=400 g,(3)在此实验中,需要测得每一个牵引力对应的加速度,其中求得的加速度的,表达式为:,。,(用,t,1,、,t,2,、,D,、,x,表示),推滑行器,数字计时器记录每一个光电门的光束被挡的时间,t,都相等(2),D(3),a,=,解析(1)如果气垫导轨水平,则不挂砝码时,滑行器应能在任意位置静止,不动,或推动滑行器后能使滑行器匀速运动。,(2)应满足,M,m,故,m,4,=400 g不合适。,(3)由,v,1,=,v,2,=,-,=2,ax,可得:,a,=,。,答案(1)取下牵引砝码,滑行器放在任意位置都不动;或取下牵引砝码,轻,4.如图为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)探究加速度和力的,关系”的实验装置。,(1)在该实验中必须采用控制变量法,应保持,不变,用钩码所受的重,力作为,用DIS测小车的加速度。,(2)改变所挂钩码的数量,多次重复测量。在某次实验中根据测得的多组数,据可画出,a,-,F,关系图线(如图所示)。,分析此图线的,OA,段可得出的实验结论是,。,此图线的,AB,段明显偏离直线,造成此误差的主要原因是,。,答案(1)小车的总质量小车所受合外力,(2)在质量不变的条件下,加速度与合外力成正比,C,解析(1)因为要探究“加速度和力的关系”,所以应保持小车的总质量,不变,钩码所受的重力作为小车所受合外力。,(2)由于,OA,段,a,-,F,关系图线为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速,度与合外力成正比;,AB,段明显偏离直线是由于没有满足,M,m,造成的。,典例1,在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时,采用如图所示的实验装置,小车及车中的砝码质量用,M,表示,盘及盘中的砝码质量用,m,表示,小车的加速度可由小车后拖动的纸带上由打点计时器打出的点计算出:,一、实验原理、步骤,重难突破,(1)当,M,与,m,的大小关系满足,时,才可以认为细线对小车的拉力大,小等于盘和盘中砝码的重力。,B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力,C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器电源,m,和,M,直接用公式,a,=,mg,/,M,求出,(3)在保持小车及车中的砝码质量,M,一定,探究加速度与所受合外力的关系,时,由于平衡摩擦力时操作不当,两位同学得到的,a,-,F,关系分别如图中甲、,乙所示(,a,是小车的加速度,F,是细线作用于小车的拉力)。,(2)一组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下,探究加速度与小车,质量的关系,以下做法正确的是,(),A.平衡摩擦力时,应将盘及盘中的砝码用细线绕过定滑轮系在小车上,其原因分别是:,甲图:,;,乙图:,。,解析(1)对盘及盘中砝码:,mg,-,T,=,ma,;对小车:,T,=,Ma,联立可得:,a,=,T,=,mg,只有当,m,M,时,才可认为,T,mg,。,(2)平衡摩擦力时,先去掉盘、盘中砝码和细线,只让小车在重力沿斜面方向,的分力作用下向左运动,当小车能匀速运动时,重力沿斜面方向的分力和摩,擦力平衡,A不正确;调好后,当再次改变小车质量时,无需再平衡摩擦力,B正,确;实验时,要先接通打点计时器的电源,使打点计时器正常工作,再释放小,车,C不正确;小车的加速度是通过处理纸带确定的,D不正确。,(3)由甲图可看出,F,=0时,a,0,说明木板的倾角过大,重力沿斜面方向的分力,大于摩擦力。由乙图可看出,只有当,F,达到一定值时,才会有加速度,说明平,衡摩擦力不足或未平衡摩擦力。,答案(1),m,M,(2)B(3)木板的倾角过大没有平衡摩擦力或平衡摩,擦力不足,甲,二、实验数据的处理及误差分析,典例2,某同学设计了一个探究加速度与物体所受合外力,F,及质量,m,的关,系实验。如图甲为实验装置简图,A,为小车,B,为打点计时器,C,为装有砂的砂,桶,D,为一端带有定滑轮的长方体木板,实验中如果小车和小车上的砝码的,总质量远大于砂和砂桶的总质量,可认为细线对小车的拉力大小,F,等于砂,和砂桶的总重力,小车运动的加速度,a,可用纸带上的点求得。,乙,(1)图乙为某次实验得到的纸带(交流电的频率为50 Hz),试由图中数据求出,小车的加速度值(写出计算过程);,(2)保持砂和砂桶质量不变,改变小车质量,m,分别得到小车加速度,a,与质量,m,的实验数据如表:,次数,1,2,3,4,5,6,7,8,小车加速度,a,/(ms,-2,),1.90,1.72,1.49,1.25,1.00,0.75,0.50,0.30,小车质量,m,/kg,0.25,0.29,0.33,0.40,0.50,0.71,1.00,1.67,/kg,-1,4.00,3.45,3.03,2.50,2.00,1.41,1.00,0.60,解析(1)将车内的沙子转移到桶中,就保证了M+m不变,即系统的总质量,平衡摩擦力不准造成误差:在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外,其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等。,(2)一组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下,探究加速度与小车质量的关系,以下做法正确的是(),分析此图线的OA段可得出的实验结论是。,把一端附有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端,连接好电路。,实验时,先放开小车,再接通打点计时器电源,打点计时器,纸带及复写纸,小车,一端附有定滑轮的长木板,小盘和砝码,细绳,低压交流电源,导线,天平,刻度尺。,从图象中得到F不变时小车加速度a与质量倒数之间的定量关系式是。,系统受到的合外力就等于mg(2)M+m,的总质量的条件下打出。,以合外力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a-F图象,图象是一条过原点的直线。,不变,研究对象是整个系统,a=,可见a-F图线斜率的物理意义,质量的测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差,细绳或纸带不与木板平行等都会造成误差。,实验步骤2、3不需要重复,即整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力。,如图为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)探究加速度和力的关系”的实验装置。,根据表中数据,为直观反映,F,不变时,a,与,m,的关系,请在图丙方格坐标纸,中选择恰当物理量建立坐标系,并作出图线。从图象中得到,F,不变时小车,加速度,a,与质量倒数,之间的定量关系式是,。,丙,解析(1)纸带上所测各段距离对应的时间间隔,T,=0.04 s,小车加速度,a,=,3.0 m/s,2,。,(2)为直观反映,F,不变时,a,与,m,的关系,建立以小车加速度,a,为纵坐标,以小车,质量的倒数,为横坐标的坐标系,并作出图象如图所示,从图象中得到,F,不,变时小车加速度,a,与质量,之间的定量关系式是,a,。,答案(1)见解析(2)图象见解析,a,=,