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    2022届高考物理一轮复习讲义学案(新高考人教版)第三章 实验四 验证牛顿运动定律
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    2022届高考物理一轮复习讲义学案(新高考人教版)第三章 实验四 验证牛顿运动定律

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    这是一份2022届高考物理一轮复习讲义学案(新高考人教版)第三章 实验四 验证牛顿运动定律,共11页。

    实验四 验证牛顿运动定律

    目标要求 1.理解实验的原理明确实验过程并能进行数据处理.2.了解实验的注意事项会对实验进行误差分析.3.能对实验进行创新改进

    实验技能储备

    1实验原理

    (1)保持质量不变探究加速度跟合外力的关系

    (2)保持合外力不变探究加速度与质量的关系

    (3)作出aF图象和a图象确定aFm的关系

    2实验器材

    小车槽码细绳一端附有定滑轮的长木板垫木打点计时器学生电源导线纸带天平刻度尺坐标纸

    3实验过程

    (1)测量用天平测量槽码的质量m和小车的质量m.

    (2)安装按照如图1所示装置把实验器材安装好只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)

    1

    (3)平衡摩擦力在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块使小车能匀速下滑

    (4)操作槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上接通电源放开小车断开电源取下纸带编号码

    保持小车的质量m不变改变槽码的质量m重复步骤.

    在每条纸带上选取一段比较理想的部分计算加速度a.

    描点作图aF的图象

    保持槽码的质量m不变改变小车质量m重复步骤a图象

    4数据处理

    (1)利用逐差法或vt图象法求a.

    (2)a为纵坐标F为横坐标描点画线如果该线为过原点的直线说明aF成正比

    (3)a为纵坐标为横坐标描点画线如果该线为过原点的直线就能判定am成反比

    5注意事项

    (1)开始实验前首先平衡摩擦阻力适当垫高木板不带定滑轮的一端使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力在平衡摩擦阻力时不要把悬挂槽码的细绳系在小车上让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动

    (2)实验过程中不用重复平衡摩擦力

    (3)实验必须保证的条件mm.

    (4)一先一后一按改变拉力或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释放小车且应在小车到达滑轮前按住小车

    6误差分析

    (1)实验原理不完善本实验用槽码的总重力mg代替小车的拉力而实际上小车所受的拉力要小于槽码的总重力

    (2)平衡摩擦阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距离测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差.

    考点一 教材原型实验

    1 (2020·山东模拟)某同学利用如图2甲所示的装置探究加速度与物体受力物体质量的关系实验时把数据记录在表格中数据是按加速度大小排列的8组数据中小车质量和加速度数据漏记

    2

     

    组号

    F/N

    m/kg

    a/(m·s2)

    1

    0.29

    0.86

    0.34

    2

    0.14

    0.36

    0.39

    3

    0.29

    0.61

    0.48

    4

    0.19

    0.36

    0.53

    5

    0.24

    0.36

    0.67

    6

    0.29

    0.41

    0.71

    7

    0.29

    0.36

    0.81

    8

    0.29

     

     

    9

    0.34

    0.36

    0.94

     

    (1)该同学又找到了第8组数据对应的纸带以及小车质量纸带如图乙所示已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出来的点未画出请你帮助该同学求出第8组中的加速度a________ m/s2

    (2)如果要研究加速度与物体受力的关系需取表格中____________组数据(填组号)aF图象如果要研究加速度与物体质量的关系需取表格中____________组数据(填组号)am图象这种研究方法叫作________

    (3)作出的am图象如图丙所示由图象________(可以不可以)判断am成反比

    答案 (1)0.90(0.890.92) (2)24579 13678 控制变量 (3)不可以

    解析 (1)每两个相邻点之间还有4个打出来的点未画出,故相邻点之间的时间间隔为:T0.02×5 s0.1 s

    根据逐差法可得x34x122a1T2x23x012a2T2

    故加速度为a×102 m/s20.90 m/s2.

    (2)研究加速度与物体受力的关系,需要保证物体质量不变,选取24579组数据

    研究加速度与物体质量的关系时,需要控制力F不变,选取13678组数据

    涉及多个变量时,需要控制其他变量恒定,改变其中一个变量,这种方法为控制变量法

    (3)分析题图丙可知,am图线为曲线,并不能说明am成反比,故应作a图象,研究a成正比关系,即am成反比

     

     

    1(2019·湖北武汉市四月调研)某同学用如图3所示装置来探究在外力一定时物体的加速度与其质量之间的关系

    3

    (1)实验中下列相关操作正确的是________

    A平衡摩擦力时应先将沙桶用细线绕过定滑轮系在小车上

    B平衡摩擦力时小车后面应固定一条纸带纸带穿过打点计时器

    C小车释放前应靠近打点计时器且先释放小车后接通打点计时器的电源

    (2)将沙和沙桶的总重力mg近似地当成小车所受的拉力F会给实验带来系统误差设小车所受拉力的真实值为F为了使系统误差<5%小车和砝码的总质量是MMm应当满足的条件是<________.

    (3)在完成实验操作后用图象法处理数据得到小车的加速度倒数与小车质量M的关系图象正确的是________

    答案 (1)B (2)0.05 (3)C

    解析 (1)平衡摩擦力时,应不挂沙桶,只让小车拖着纸带在木板上做匀速运动,选项A错误;平衡摩擦力时,小车后面应固定一条纸带,纸带穿过打点计时器,选项B正确;小车释放前应靠近打点计时器,且先接通打点计时器的电源后释放小车,选项C错误;

    (2)在本实验中认为细线的拉力F等于沙和沙桶的总重力mg,由此造成的误差是系统误差,对小车,根据牛顿第二定律得:a,对整体,根据牛顿第二定律得:a,且<5%,解得:<0.05.

    (3)由牛顿第二定律可知:a,则(Mm)M,故选C.

     

    2(2016·全国卷·23)某物理课外小组利用图4中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系图中置于实验台上的长木板水平放置其右端固定一轻滑轮轻绳跨过滑轮一端与放在木板上的小滑车相连另一端可悬挂钩码本实验中可用的钩码共有N5每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下

    4

    (1)5个钩码全部放入小车中在长木板左下方垫上适当厚度的小物块使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑

    (2)n(依次取n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端其余Nn个钩码仍留在小车内用手按住小车并使轻绳与木板平行释放小车同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s绘制st图象经数据处理后可得到相应的加速度a.

    (3)对应于不同的na值见下表n2时的st图象如图5所示由图求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)将结果填入下表

    n

    1

    2

    3

    4

    5

    a/(m·s2)

    0.20

     

    0.58

    0.78

    1.00

     

    5

    (4)利用表中的数据在图6中补齐数据点并作出an图象图象可以看出当物体质量一定时物体的加速度与其所受的合外力成正比

    6

    (5)利用an图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字重力加速度取g9.8 m·s2)

    (6)若以保持木板水平来代替步骤(1)下列说法正确的是______(填入正确选项前的标号)

    Aan图线不再是直线

    Ban图线仍是直线但该直线不过原点

    Can图线仍是直线但该直线的斜率变大

    答案 (3)0.39 (4)见解析图 (5)0.44 (6)BC

    解析 (3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动,将图中点(2 s,0.78 m)代入sat2可得,a0.39 m/s2.

    (4)根据描点法可得如图所示图线

    (5)根据牛顿第二定律可得nmg(M5m)a,则an,图线斜率k,可得M0.44 kg

    (6)平衡摩擦力时,以小车和钩码整体为研究对象有:nm0g(m5m0)a,则an,即an图象的斜率为.若保持木板水平,则小车将受到木板的摩擦力,有nm0gμ[mg(5n)m0g](m5m0)aanμg.说明an图象仍为直线,但不再过原点,且斜率变大.故选BC.

    考点二 拓展创新实验

    实验目的和原理的创新

    (1)将实验装置的平面改为斜面

    (2)将探究加速度与物体受力、物体质量的关系改为测定动摩擦因数

    实验器材的创新

    利用位移传感器与计算机相连,直接得出小车的加速度

    (1)用光电门代替打点计时器,结合遮光条的宽度可测滑块的速度

    (2)利用气垫导轨代替长木板,无需平衡摩擦阻力

    (3)用力传感器测滑块的拉力,无需满足mM

    实验过程的创新

    (1)结合光电门得出物块在AB两点的速度,由vB2vA22ax得出位移,算出物块的加速度

    (2)结合牛顿第二定律mgμMg(Mm)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数

     

    2 (2020·山西吕梁市期末)为了探究质量一定时加速度与力的关系一同学设计了如图7所示的实验装置细线与弹簧测力计挂钩相连其中M为带滑轮的小车的质量放在一端带滑轮的长木板上m为砂和砂桶的质量(滑轮质量不计)

    7

    (1)实验时不需要进行的操作是________(填选项前的字母)

    A用天平测出砂和砂桶的质量

    B将带滑轮的长木板右端垫高以平衡摩擦力

    C小车靠近打点计时器先接通电源再释放小车打出一条纸带同时记录弹簧测力计的示数

    D改变砂和砂桶的质量打出几条纸带

    E为减小误差实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M

    (2)该同学在实验中得到如图8所示的一条纸带(两计数点间还有两个点没有画出)已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交流电根据纸带可求出小车的加速度为________ m/s2(结果保留三位有效数字)

    8

    (3)以弹簧测力计的示数F为横坐标加速度为纵坐标画出的aF图象是一条直线图线与横坐标轴的夹角为θ求得图线的斜率为k则小车的质量为________

    答案 (1)AE (2)1.32 (3)

    解析 (1)本题拉力可以由弹簧测力计测出,不需要用天平测出砂和砂桶的质量,也就不需要使砂和砂桶的质量远小于小车的总质量,AE不需要,符合题意;该题是由弹簧测力计测出拉力,从而得到小车受到的合外力,故需要将带滑轮的长木板右端垫高,以平衡摩擦力,B需要,不符合题意;用打点计时器时,都是先接通电源,待打点稳定后再释放纸带,该实验探究加速度与力的关系,要记录弹簧测力计的示数,C需要,不符合题意;改变砂和砂桶质量,即改变拉力的大小,打出几条纸带,研究加速度随F变化关系,D需要,不符合题意.

    (2)由于两计数点间还有两个点没有画出,故相邻计数点的时间间隔为T0.06 s,由ΔxaT2

    则有:a m/s21.32 m/s2

    (3)小车所受合力为弹簧测力计示数的两倍,由牛顿第二定律得:aF

    aF图象的斜率k,解得小车质量为:M.

    3(2019·全国卷·22)如图9某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验所用器材有铁架台长木板铁块米尺电磁打点计时器频率50 Hz的交流电源纸带等回答下列问题

    9

    (1)铁块与木板间动摩擦因数μ______(用木板与水平面的夹角θ重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示)

    (2)某次实验时调整木板与水平面的夹角使θ30°.接通电源开启打点计时器释放铁块铁块从静止开始沿木板滑下多次重复后选择点迹清晰的一条纸带如图10所示图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出)重力加速度为9.80 m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为________(结果保留2位小数)

    10

    答案 (1) (2)0.35

    解析 (1)对铁块受力分析,由牛顿第二定律有

    mgsin θμmgcos θma,解得μ.

    (2)两个相邻计数点之间的时间间隔

    T5× s0.10 s

    由逐差法和ΔxaT2可得

    a1.97 m/s2

    代入μ,解得μ0.35.

    4(八省联考·湖北·13)某同学利用如图11所示的装置测量滑块与长金属板之间的动摩擦因数和当地重力加速度金属板固定于水平实验台上一轻绳跨过轻滑轮左端与放在金属板上的滑块(滑块上固定有宽度为d2.000 cm的遮光条)相连另一端可悬挂钩码本实验中可用的钩码共有N6每个质量均为m00.010 kg.

    实验步骤如下

    在金属板上适当的位置固定光电门AB两光电门通过数据采集器与计算机相连

    用电子秤称量出滑块和遮光条的总质量为M0.150 kg.

    n(依次取n1,2,3,4,5,6)个钩码挂在轻绳右端其余Nn个钩码固定在滑块上用手按住滑块并使轻绳与金属板平行接通光电门释放滑块计算机自动记录

    11

    .遮光条通过光电门A的时间Δt1

    .遮光条通过光电门B的时间Δt2

    .遮光条的后端从离开光电门A到离开光电门B的时间Δt12

    经数据处理后可得到与n对应的加速度a并记录

    回答下列问题

    (1)n3Δt10.028 9 sΔt20.016 0 sΔt120.404 0 s.

    .忽略遮光条通过光电门时速度的变化滑块加速度的表达式为a1________其测量值为____ m/s2(计算结果保留3位有效数字通过计算机处理得到34.60 s162.50 s1)

    .考虑遮光条通过光电门时速度的变化滑块加速度的测量值a2________a1(大于”“等于小于)

    (2)利用记录的数据拟合得到an图象如图12所示该直线在横轴上的截距为p纵轴上的截距为q.用已知量和测得的物理量表示滑块与长金属板之间动摩擦因数的测量值μ________重力加速度的测量值g________(结果用字母表示)

    12

    答案 (1).() 1.38 .小于

    (2) 

    解析 (1)根据题意,滑块经过光电门AB的速度分别为v1v2,则滑块的加速度a1,代入数据可得a11.38 m/s2;考虑到遮光条通过光电门的速度变化,滑块的加速度a2,可知a2小于a1.

    (2)对钩码和滑块受力分析,根据牛顿第二定律得nm0gFTnm0aFTμ(MgNm0gnm0g)(MNm0nm0)a,联立可得anμgp,-μgq,解得μg.

     

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