《2020届高考物理总复习第三单元牛顿运动定律实验4验证牛顿第二定律教师用书含解析新人教版20190531373》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020届高考物理总复习第三单元牛顿运动定律实验4验证牛顿第二定律教师用书含解析新人教版20190531373（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验4验证牛顿第二定律实验目的1.学会用控制变量法探究物理规律。2.全面正确地认识加速度与力、质量的关系。实验原理研究加速度a与质量M、外力F之间的关系时,先保持质量不变,测量物体在不同的力的作用下的加速度,分析加速度与力的关系;再保持物体所受的力相同,测量不同质量的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系。这种先控制某些参量不变,研究某两个参量之间变化关系的方法叫作控制变量法。实验器材打点计时器、纸带及复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘和砝码、细绳、交流电源、导线、天平、刻度尺。实验步骤1.用天平测出小车的质量和小盘中砝码的质量,分别为M、m0,并把数值记录下来。2.按图示
2、将实验器材安装好(小车上不系绳)。3.在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,以平衡摩擦力。4.将小盘通过细绳系在小车上,接通电源放开小车,用纸带记录小车的运动情况;取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘的重力m0g。5.保持小车的质量不变,改变小盘中砝码的质量,重复步骤4多做几次实验。每次小车应从同一位置释放,并记录好相应纸带。6.保持小车所受合力不变,在小车上加砝码,并测出小车和放上砝码后的总质量M1,接通电源放开小车,用纸带记录小车的运动情况,取下纸带并在纸带上标上号码。7.继续在小车上加放砝码,重复步骤6,多做几次实验,在每次得到的纸带上标上号码。数据处理1.保持小车质量不变时,计算各次
3、小盘和砝码的重力(作为小车的合力)及对应纸带的加速度,填入表(一)中。表(一)实验次数加速度a/(ms-2)小车受力F/N12342.保持小盘内的砝码个数不变时,计算各次小车和砝码的总质量及对应纸带的加速度,填入表(二)中。表(二)实验次数加速度a/(ms-2)小车和砝码的总质量m/kg12343.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。4.以a为纵坐标,1m为横坐标,描点、连线,如果该线过原点,就能判定a与m成反比。1.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,渗透了研究问题的多种科学方法:(1)实验环境的等效法:。(2)实验条件设计的
4、科学方法:。(3)实验原理的简化:,即当小车质量M车m砂(m砂表示砂及桶的总质量)时,细绳对小车的拉力大小近似等于砂及桶的总重力m砂g。(4)实验数据处理的科学方法:。(5)将a-M车图象转化为a-1M车图象,所用的科学方法:。(以上各空均选填“理想实验法”“图象法”“平衡摩擦力法”“化曲为直法”“控制变量法”或“近似法”)解析(1)由于小车运动受到摩擦阻力,所以要平衡摩擦力,以减小实验误差,称为平衡摩擦力法。(2)在探究加速度、力与质量三者关系时,先保持其中一个量不变,来探究其他两个量之间的关系,称为控制变量法。(3)当小车质量M车m砂(m砂表示砂及桶的总质量)时,细绳对小车的拉力大小近似等
5、于砂及桶的总重力m砂g,称为近似法。(4)通过图象研究实验的结果,称为图象法。(5)在作图时,将a-M车图象转化为a-1M车图象,使图线由曲线转化为直线,称为化曲为直法。答案(1)平衡摩擦力法(2)控制变量法(3)近似法(4)图象法(5)化曲为直法2.图甲为某同学设计的“探究加速度与小车所受合力F及质量m的关系”的实验装置简图,A为小车,B为电火花计时器,C为装有砝码的小桶,D为一端带有定滑轮的长木板。在实验中可认为细线对小车的拉力F大小等于砝码和小桶的总重力,小车运动的加速度a可用纸带上的点求得。甲(1)关于该实验,下列说法中正确的是。A.用砝码和小桶的总重力来表示F,对实验结果会产生误差B
6、.为消除摩擦力对实验的影响,可以把长木板D的左端适当垫高C.使用电火花计时器时先使纸带运动,再接通电源D.长木板D的左端被垫高后,图中细线应保持与长木板的表面平行(2)实验中获取的一条纸带的一部分如图乙所示,其中0、1、2、3、4是计数点,每相邻两计数点间还有4个计时点(图中未标出),计数点间的距离已标在图中,由纸带求出小车的加速度a= m/s2(结果保留2位有效数字)。乙(3)在“探究加速度与质量的关系”时,保持砝码和小桶质量不变,改变小车质量M,分别测得小车的加速度a与对应的质量M,数据如下表:次数12345小车的加速度a/(ms-2)1.251.000.800.500.40小车的质量M/
7、kg0.4000.5000.6251.0001.250小车质量的倒数M-1/kg-12.502.001.601.000.80利用上表数据,在图丙所示的坐标纸上选择合适物理量为坐标轴建立坐标系,作出直观反映a与M关系的图线。从图线可得到的结论是。丙解析(1)设小车的总质量为M,小桶和砝码的总质量为m,平衡摩擦力后,根据牛顿第二定律,对小车有F=Ma,对小桶和砝码有mg-F=ma,解得F=MM+mmg,整理得F=mg1+mM,虽然当Mm时,可认为F=mg,但实际上Fmg,A项正确;为消除摩擦力对实验的影响,应将长木板D的左端适当垫高,B项正确;使用电火花计时器时先接通电源,再释放小车,C项错误;长
8、木板D的左端被垫高后,图中细线应保持与长木板的表面平行,以确保小车所受的合外力保持不变,D项正确。(2)根据逐差法可得a=2.40+2.88-1.40-1.890.2210-2 m/s2=0.4975 m/s2,保留2位有效数字得a=0.50 m/s2。(3)如图丁所示丁结论:在合外力一定的情况下,小车的加速度与小车的质量成反比。答案(1)ABD(2)0.50(3)如图丁所示在合外力一定的情况下,小车的加速度与小车的质量成反比见自学听讲P50一实验数据的处理方法图象法,化曲为直的方法利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法。在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比,那么x就应与1y成正比。
9、因为在处理数据时,判断正比例图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单和直观得多,所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理。例1某物理课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合力之间的关系。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,轻绳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。甲实验步骤如下:(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
10、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图象如图乙所示。由图乙求出此时小车的加速度(结果保留2位有效数字),将结果填入下表。n12345a/(ms-2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点,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力成正比。乙丙(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为 kg(结果保留2位有效数字,重力加速度取g=9.8 m/s2)。(6)若
11、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解析(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动,故将(2,0.80)代入s=12at2可得a=0.40 m/s2。(4)根据描点法可得如图丁所示图线。丁(5)对于挂在下面的n个钩码,有nmg-F=nma对于小车(含剩下的钩码),有F=M+(N-n)ma两式相加得nmg=(M+Nm)a解得a=nmgM+Nm=0.098M+0.05n可见a-n图象的斜率表示0.098M+0.05由a-n图可知斜率k=0.196,所
12、以0.098M+0.05=0.196,解得M=0.45 kg。(6)木板水平时要考虑摩擦力的影响对于挂在下面的n个钩码,有nmg-F=nma对于小车(含剩下的钩码),有F-M+(N-n)mg=M+(N-n)ma两式相加得nmg-M+(N-n)mg=(M+Nm)a解得a=mg+mgM+Nmn-g可见a-n图象仍是一条直线,但其斜率要变大,且不过坐标原点。答案(3)0.39(0.370.40均可)(4)如图丁所示(5)0.45(0.450.49)(6)BC二误差分析与注意事项1.误差分析产生原因减小方法偶然误差质量测量不准、计数点间距测量不准多次测量求平均值小车所受拉力测量不准准确平衡摩擦力使细绳
13、和纸带平行于木板作图不准使尽可能多的点落在直线上或均匀分布在直线两侧,误差较大的点舍去系统误差小桶及砂的总重力代替小车所受的拉力使小桶和砂的总质量远小于小车的质量2.注意事项(1)打点前小车应靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车。(2)在平衡摩擦力时,不要悬挂小桶,但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。(3)改变砂的质量的过程中,要始终保证砂和小桶的质量远小于小车的质量。(4)作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能地对称分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍
14、去。例2“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示,回答下列问题:甲乙(1)实验中在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带。纸带上A、B、C、D、E、F、G这些点的间距如图丙所示,其中每相邻两点间还有4个计时点未画出。根据测量结果计算:打C点时纸带的速度大小为m/s;纸带运动的加速度大小为 m/s2。(结果保留3位有效数字)丙(2)平衡好摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。根据小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据作出的a-F图线如图乙所示,此图线不通过原点的主要原因是 。(3)在探究加速度a和小车质量M的关系时,由于没有能够始终满足Mm(m为砝码盘及盘内砝码的总质量)的条件,结果得到的a-1M 图象应该是图丁中的。 丁解析(1)因纸带上两相邻计
