高考物理总复习3.4实验4验证牛顿运动定律课件PPT

这是一份高考物理总复习3.4实验4验证牛顿运动定律课件PPT，共47页。PPT课件主要包含了-2-，-3-，-4-，-5-，-6-，-7-，命题点一，命题点二，-8-，-9-等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理量的关系。2.探究加速度与力、质量的关系。3.掌握利用图象处理数据的方法。二、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a-F图象和a- 图象,确定其关系。三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。
四、实验步骤1.称量质量——用天平测量小盘的质量m1和小车的质量m2。2.安装器材——按如图所示装置安装器材(只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上)。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,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。
4.测量加速度(1)保持小车的质量不变,打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力由纸带计算出小车的加速度,并填入表中。改变小盘内砝码的个数,并多做几次。(2)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m0,并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表中。改变小车上砝码的个数,多做几次。
五、数据处理1.利用Δx=aT2及逐差法求a。2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点,如果这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比。3.以a为纵坐标, 为横坐标,描点、连线,如果该线为过原点的直线,就能判定a与m成反比。六、误差分析1.实验原理不完善:本实验用小盘和砝码的总重力m'g代替小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。
七、注意事项1.平衡摩擦力:适当垫高木板的右端,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。在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动。2.不重复平衡摩擦力。3.实验条件:m0≫m'。4.一先一后一按:开始时小车应尽量靠近打点计时器,先接通电源,后释放小车,在小车到达滑轮前按住小车。
教材原型实验例1(2018·山东枣庄质检)用图(a)所示的实验装置验证牛顿第二定律。(1)某同学通过实验得到如图(b)所示的a-F图象,造成这一结果的原因是在平衡摩擦力时　　　　　　　　　　　　　。图中a0表示的是　　　　　　　　时小车的加速度。 
(2)某同学得到如图(c)所示的纸带。已知打点计时器电源频率为50 Hz。A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点。Δs=sDG-sAD=　　　　 cm。由此可算出小车的加速度a=　　　　 m/s2(保留两位有效数字)。 
答案:(1)长木板的倾角过大　未挂砂桶　(2)1.80　5.0解析:(1)根据图象(b)可知,当没有悬挂砂桶时,小车已经产生加速度,由此可知在操作个过程中,平衡摩擦力过度即长木板的倾角过大,图中a0表示的是未挂砂桶时小车的加速度大小。(2)根据刻度尺的示数可知:Δs=sDG-sAD=3.90 cm-2.10 cm=1.80 cm=0.018 0 m,时间间隔为T=0.06 s,由匀变速直线运动的推论:Δx=aT2可知加速度
思维点拨(1)实验前要恰好平衡摩擦力,不能平衡摩擦力过度或不足,分析图示图象答题。(2)根据图示刻度尺求出两点间的距离,然后应用匀变速直线运动的推论Δx=aT2求出加速度。
实验拓展创新以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器和实验数据的处理设置题目,或者通过实验原理的拓展来设置题目。一、实验器材的改进
二、数据测量的改进三、实验的拓展延伸以验证牛顿运动定律为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。
例2(2016·全国卷Ⅲ)某物理课外小组利用图(a)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N=5个,每个质量均为0.010 kg。实验步骤如下:
(1)将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)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n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s-t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n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图(b)所示:由图(b)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。
(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图象。从图象可以看出: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。
(5)利用a-n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g取9.8 m·s-2)。 (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)。 A.a-n图线不再是直线B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大
答案:(3)0.40(0.37~0.49均对)　(4)a-n图线见解析　(5)0.45(在0.43和0.47范围内都给分)　(6)BC解析:(3)小滑车释放后做初速度为零的匀加速直线运动满足x= at2①由题图(b)知,当x=0.8 m时,t=2.00 s,代入①式解得a=0.40 m/s2
(4)描点作图a-n图线如图:(5)对钩码与小滑车组成的系统有nmg=(m'+5m)a
解得m'=0.45 kg。(6)若木板保持水平,则对系统由牛顿第二定律得nmg-μ[m'+(N-n)m]g=(m'+Nm)a
由此知图线不过原点,且斜率增大,故B、C选项正确。
思维点拨此实验与教材中实验对比,研究对象一样吗?
答案:不一样,教材实验中研究对象是小车,此实验中的研究对象是小车和钩码(包括悬挂的钩码)。
例3实验:用如图甲所示的装置探究加速度a与力F的关系,带滑轮的长木板水平放置,弹簧测力计固定在墙上。
(1)实验时,一定要进行的操作是　　　　。(填选项字母) A.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,根据纸带的数据求出加速度a,同时记录弹簧测力计的示数FB.改变小车的质量,打出几条纸带C.用天平测出砂和砂桶的总质量D.为减小误差,实验中一定要保证砂和砂桶的总质量远小于小车的质量(2)若要把小车所受拉力视为小车所受的合力,在进行上述实验操作之前,首先应该完成的实验步骤是　　　　　　　　　　　。 (3)根据实验数据,画出了如图乙所示的a-F图象,测得斜率为k,则小车的质量为　　　　。 
(4)若某次实验,求得小车的加速度为a,则此时砂和砂桶的加速度为　　　　。 (5)若弹簧测力计的读数为F,则F　　　　(填“大于”“等于”或“小于”)mg(m为砂和砂桶的总质量)。 
解析:(1)打点计时器运用时,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,A正确;要探究加速度与质量的关系时,就要改变小车的质量,这个实验是研究加速度随F变化关系,B错误;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,也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总质量,C、D错误;故选A。
(2)小车在运动中要受到木板对小车的摩擦力和纸带与打点计时器间的摩擦力,要把小车所受拉力视为小车所受的合力,就要平衡摩擦力。(3)对a-F图象来说,图象的斜率表示小车质量的倒数,
(4)两股细绳拉小车,所以小车与砂桶的加速度是2倍关系,所以砂和砂桶的加速度为2a。(5)因为砂和砂桶有加速度,所以绳的拉力小于砂和砂桶的重力,即弹簧测力计的读数小于砂和砂桶的重力。
例4(2018·山东临沭月考)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G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过G1、G2光电门时,光束被遮挡的时间Δt1、Δt2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s,牵引砝码的质量为m。
回答下列问题:(1)实验开始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.m1=5 gB.m2=15 gC.m3=40 gD.m4=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Δt1、Δt2、D、s表示)。 
答案:(1)将滑行器自由放在导轨上,并轻推滑行器,看其能否做匀速运动　
解析:(1)气垫导轨可以认为是光滑的,在判断其是否水平时可以采取的方法是接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,滑块基本保持静止说明导轨是光滑的,或接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,轻推滑块,滑块能基本做匀速直线运动。(2)在该实验中实际是mg=(M+m)a,要满足mg=Ma,应该使砝码的总质量远小于滑块的质量。若取M=0.4 kg,改变m的值,进行多次实验,m4=400 g不能满足,故选D。
(3)根据遮光条通过光电门的速度可以用平均速度代替得
思维点拨(1)当气垫导轨水平时,滑块做匀速直线运动,通过光电门的速度相等,即光电门的挡光时间相等。(2)在实验中,认为m的重力等于滑块所受的合力,所以m的质量应远小于M的质量。(3)滑块经过光电门时的速度近似等于滑块经过光电门时的平均速度,可由v= 求出,然后由匀变速运动的速度位移公式求出滑块的加速度。
1.在探究物体的加速度a与物体所受外力F、物体质量M间的关系时,采用如图a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。
(1)若已平衡好摩擦力,在小车做匀加速直线运动过程中绳子拉力FT=　　　　　　,当M与m的大小关系满足　　　　时,才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力。 (2)某一组同学先保持盘及盘中的砝码质量m一定来做实验,其具体操作步骤如下,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绳通过定滑轮系在小车上B.每次改变小车的质量时,需要重新平衡摩擦力C.实验时,先接通打点计时器的电源,再放开小车D.用天平测出m以及小车质量M,小车运动的加速度可直接用公式a= 求出(3)某小组同学保持小车及车中的砝码质量M一定,探究加速度a与所受外力F的关系,由于他们操作不当,这组同学得到的a-F关系图象如图b所示,其原因是　。 
(4)图c是某次实验中得到的纸带。已知打点计时器使用的交流电源频率为50 Hz,每相邻两个计数点间还有4个点未画出,求出小车下滑的加速度为　　　　m/s2。(结果保留三位有效数字) 
(2)C(3)①平衡摩擦力不够或没有平衡摩擦力;②没有满足M≫m(4)1.58
解析:(1)该实验的研究对象是小车,采用控制变量法研究。当质量一定时,研究小车的加速度和小车所受合力的关系。那么小车的合力怎么改变和测量呢?为消除摩擦力对实验的影响,可以把木板D的右端适当垫高,以使小车的重力沿斜面分力和摩擦力抵消,那么小车的合力就是绳子的拉力。根据牛顿第二定律得:对m:mg-FT=ma对M:FT=Ma
当M≫m时,即当砝码和盘的总重力要远小于小车的重力,绳子的拉力近似等于砝码和盘的总重力。
(2)平衡摩擦力时,应将绳从小车上拿去,轻轻推动小车,使小车沿木板运动,通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动。故A错误。每次改变小车的质量时,小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消,不需要重新平衡摩擦力。故B错误。实验时,若先放开小车,再接通打点计时器电源,由于小车运动较快,可能会使打出来的点很少,不利于数据的采集和处理。故C正确。小车运动的加速度是利用打点计时器测量,如果用天平测出m以及小车质量M,直接用公式求出,这是在直接运用牛顿第二定律计算的,而我们实验是在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系。故D错误。故选C。
(3)当F≠0时,a=0。也就是说当绳子上有拉力时小车的加速度还为0,说明小车的摩擦力与绳子的拉力抵消。该组同学实验操作中遗漏了平衡摩擦力或平衡摩擦力不足这个步骤,随着F的增大,即砂和砂桶质量的增大,不再满足砂和砂桶远小于小车的质量,因此曲线上部出现弯曲现象。(4)由于每相邻两个计数点间还有4个点没有画出,所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1 s,根据Δx=aT2,运用逐差法得
2.在水平固定的长木板上,小潘用物体A、B分别探究了加速度随着外力的变化的关系,实验装置如图甲所示(打点计时器、纸带图中未画出)。实验过程中小潘用不同的重物P分别挂在光滑的轻质动滑轮上,使平行于长木板的细线分别拉动长木板上的物体A、B由静止开始加速运动(纸带与打点计时器之间阻力及空气阻力可忽略),实验后进行数据处理,小潘得到了物体A、B的加速度a与轻质弹簧测力计弹力F的关系图象分别如图乙中的A、B所示。
(1)(多选)由图甲判断下列说法正确的是(　　)A.一端带有定滑轮的长木板不水平也可以达到实验目的B.实验时应先接通打点计时器电源后释放物体C.实验中重物P的质量应远小于物体的质量D.弹簧测力计的读数始终为重物P的重力的一半(2)小潘仔细分析了图乙中两条线不重合的原因,得出结论:两个物体的质量不等,且mA　　　　(填“大于”“等于”或“小于”)mB;两物体与木板之间动摩擦因数μA　　　　(填“大于”“等于”或“小于”)μB。
答案:(1)AB　(2)小于　大于解析:(1)实验时应把长木板没有定滑轮的一端垫高,平衡摩擦力,长木板不能保持水平,故A正确;实验时应先接通电源,再放开物体,故B正确;物体所受到的拉力可以由弹簧测力计读出,实验过程中不需要控制重物P的质量远小于物块的质量,故C错误;图示滑轮为动滑轮,重物静止或做匀速直线运动时,弹簧测力计的示数等于重物P重力的一半,重物加速下降时,处于失重状态,测力计示数小于重物重力的一半,故D错误。(2)由牛顿第二定律得m= ,a-F图象斜率的倒数等于m,由图象可得:A的斜率大于B的斜率,则A斜率的倒数小于B斜率的倒数,即A的质量小于B的质量;由牛顿第二定律得F-μmg=ma,a=0时,F=μmg,由图象可知,a=0时,A、B受力相等,即μAmAg=μBmBg,而mAμB。
3.(2018·山东泰安月考)要测量两个质量不等的沙袋的质量,由于没有直接的测量工具,某实验小组选用下列器材:轻质定滑轮(质量和摩擦可忽略)、砝码一套(总质量m=0.5 kg)、细线、刻度尺、停表。他们根据已学过的物理学知识,改变实验条件进行多次测量,选择合适的变量得到线性关系,作出图线并根据图线的斜率和截距求出沙袋的质量。请完成下列步骤。
(1)实验装置如图所示,设左右两边沙袋A、B的质量分别为m1、m2;(2)取出质量为m'的砝码放在右边沙袋中,剩余砝码都放在左边沙袋中,发现A下降,B上升;(3)用刻度尺测出A从静止下降的距离h,用秒表测出A下降所用的时间t,则可知A的加速度大小a=　　　　　; (4)改变m',测量相应的加速度a,得到多组m'及a的数据,作出　　　　(选填“a-m'”或“a- ”)图线; (5)若求得图线的斜率k=4 m/(kg·s2),截距b=2 m/s2,则沙袋的质量m1=　　　　 kg,m2=　　　　 kg。
(4)、(5)根据牛顿第二定律得对m1及砝码:(m1+m')g-FT=(m1+m')a对m2及砝码:FT-(m2+m-m')g=(m2+m-m')a
将k、b、m代入计算,解得m1=3 kg,m2=1.5 kg。
4.(2018·湖北黄冈市高三检测)如图(a)所示,是某同学在探究“物体质量一定时,加速度与合外力的关系”的实验装置,实验时将小车从光电门A的右侧由静止释放,与光电门连接的数字计时器可以测量遮光片经过光电门A、B所用的时间tA、tB,回答下列问题。
(1)下列实验要求必须满足的是　　　　。 A.保证沙桶和沙的质量远小于小车的质量B.保持沙和沙桶的质量不变C.保持穿过光电门的细线与长木板平行D.保持小车的质量不变(2)为测算小车的加速度,实验中还需要测量的物理量有　　　　　　　和　　　。 (3)实验中改变沙和沙桶的质量,得到小车加速度a与弹簧弹力F的对应关系如图(b)所示,图线不经过原点,可能的原因是　。 
答案:(1)CD　(2)遮光片的宽度　光电门A、B间的距离　(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足解析:(1)由于该实验的连接方式,重物和小车不具有共同的加速度,小车是在绳的拉力下加速运动,此拉力可由测力计示数获得,不需要用重物的重力来代替,故不要求沙桶和沙的质量远小于小车的质量,故A错误;根据控制变量法原理可知,探究“物体质量一定,加速度与合外力的关系”时要保持小车的质量不变,改变沙和沙桶的质量,故B错误,D正确;保持穿过光电门的细线与长木板平行,使平衡摩擦力后,绳子的拉力等于小车受到的合外力,故C正确;故选CD。
(2)已经知道遮光片经过光电门A、B所用的时间tA、tB,则需要测量遮光片的宽度d,从而求出经过A、B时的速度,要求出加速度,根据匀变速直线运动位移速度公式即可求解,所以还要测出光电门A、B间的距离。(3)图线不通过坐标原点,F不为零时,加速度仍为零,知实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。
5.(2018·河北衡水中学一调)现要测量滑块与木板之间的动摩擦因数,实验装置如图1所示。表面粗糙的木板一端固定在水平桌面上,另一端抬起一定高度构成斜面;木板上有一滑块,其后端与穿过打点计时器的纸带相连,打点计时器固定在木板上,连接频率为50 Hz的交流电源。接通电源后,从静止释放滑块,滑块带动纸带上打出一系列点迹。
(1)图2给出的是实验中获取的一条纸带的一部分:0、1、2、3、4、5、6是实验中选取的计数点,每相邻两计数点间还有4个打点(图中未标出),2、3和5、6计数点间的距离如图2所示。由图中数据求出滑块的加速度a=　　　　 m/s2(结果保留三位有效数字)。 (2)已知木板的长度为l,为了求出滑块与木板间的动摩擦因数,还应测量的物理量是　　　　。 A.滑块到达斜面底端的速度vB.滑块的质量mC.滑块的运动时间tD.斜面高度h和底边长度x(3)设重力加速度为g,滑块与木板间的动摩擦因数的表达式μ=　　　　(用所需测量物理量的字母表示)。
解析:(1)每相邻两计数点间还有4个打点,说明相邻的计数点时间间隔T=0.1 s,
(2)要测量动摩擦因数,由μmgcs θ=ma,可知要求μ,需要知道加速度与夹角余弦值,纸带数据可算出加速度大小,再根据斜面高度h和底边长度x,结合三角知识,即可求解,故A、B、C错误,D正确;(3)以滑块为研究对象,根据牛顿第二定律有mgsin θ-μmgcs θ=ma