2012届高考物理验证牛顿运动定律实验复习教案

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1、2012 届高考物理验证牛顿运动定律实验复习教案实验 4 验证牛顿运动定律牛顿第二定律实验改“控制变量法” 为“补偿法”江苏省特级教师 戴儒京著名的也是最重要的“牛顿第二定律实验” ，以程标准为指导而编写的教科书与以前的教科书比较， 把教师演示实验变为学生探索性实验。多年以，都是教师演示实验，由老师做、老师讲，教科书不把实验的设计展示给学生，而标教科书则详细写出了实验程序和设计过程。在实验修订本中，关于牛顿第二定律的实验的叙述只用了半页 400 多字，而在标教科书中，用了单独的一节即第四第 2 节：实验：探究加速度与力、质量的关系，洋洋洒洒 3 页半，约 2000 多字, 是原的倍多。实验修订

2、本中，有下列内容（2 项）：实验装置实验方法标教科书中，有下列内容（7 项）：加速度与力的关系加速度与质量的关系制定实验方案时的两个问题怎样提供和测量物体所受的恒力参考案例怎样由实验结果得出结论通过比较可以知道：实验修订本中的内容只是标教科书中“怎样测量或比较物体的加速度”和“ 参考案例”两项内容，也就是说：标教科书比实验修订本增加了实验设计方法的内容：加速度与力的关系和加速度与质量的关系，即控制变量法。以前是老师补充的，现在写在教科书中，使学生不仅知道怎样做实验，还明白为什么这样做实验，即知其然知其所以然。除字不同外，插图也不同。实验修订本中，只有一幅图即图 3- 研究牛顿第二定律的实验装置

3、图（第 0 页） ，而在标教科书中除实验装置图（第 78 页图 42-4 及图 42-）外还有图 42-2 加速度与质量的关系图（a-图）和图 42-4 加速度与质量的倒数的关系图（a- 图） （第76 页） ，为学生作图做了示范。笔者经过仔细、认真的研究，认为“牛顿第二定律实验” 还有改进的空间，且有改进的必要。那就是把“控制变量法” 改为“补赏法”。一、 “控制变量法 ”实验1实验装置图 1 为俯视图，图 2 为侧视图。2实验过程(1)加速度跟力的关系使用两个相同的小车，满足 1=2；在连小车前的绳端分别挂一个钩码和两个钩码（设钩码质量为 ） ，使 F1=2F2将二小车拉至同一起点处，记下

4、位置放手后经一段时间使二小车同时停止，满足时间 t 相同改变 F 重复实验，读出二小车的位移，填入表 1：表 1根据 ，在 相等的情况下， 与 成正比。从表 1 可得：比较可得，在误差允许的范围内，aF(2)加速度跟质量的关系将小车 1 上加 02g 砝码，使 1=22；二小车前面绳端都挂一个钩码，使 F1=F2将二小车拉至同一起点处放开经一段时间使其同时停止，读出各小车位移记入表 2：表 23定律导出（1）由上述实验结果 ， ，可得出物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，即牛顿第二定律的基本关系，写成数学表达式为 (2)上式可写为等式 F=a，式中为比例常数如果公式中的物理量选择合

5、适的单位，就可以使=1，则公式更为简单在国际单位制中，力的单位是牛顿牛顿这个单位就是根据牛顿第二定律定义的：使质量是 1g 的物体产生 1/s2 的加速度的力为1N，即 1N=1g/s2可见，如果都用国际单位制中的单位，就可以使=1，那么公式则简化为 F=a，这就是牛顿第二定律的公式(3)当物体受到几个力的作用时，牛顿第二定律也是正确的，不过这时 F 代表的是物体所受外力的合力牛顿第二定律更一般的表述是：物体的加速度跟所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同公式是：F 合=a二、系统误差分析1用数字计算法分析误差在实验中，小车（质量为 ）受的拉力实际上不等于钩

6、码的重力（ ） ，设为 ，则有，解得从结果可以看出，小车受的拉力 实际上小于钩码的重力（ ） ，而钩码的重力（ ）是产生小车和钩码二者的加速度的力，而不是产生小车的加速度的力。在第（1）步中的第 1 次实验中，小车受的拉力 ，但在实验中认为小车受的拉力等于钩码的重力 ，则相对误差为 。在第（1）步中的第 2 次实验中，小车受的拉力 ，但在实验中认为小车受的拉力等于钩码的重力 ，则相对误差为 。可见，在小车的质量相等的条下，钩码的质量越小，相对误差越小。但是，实验中认为第 1 次实验小车受的拉力（两个钩码）是第 2次实验小车受的拉力（一个钩码）的 2 倍，但实际是不是 2 倍，是 倍，相对误差为

7、 。在第（2）步中的第 1 次实验中，小车受的拉力 ，但在实验中认为小车受的拉力等于钩码的重力 ，则相对误差为 。在第（2）步中的第 2 次实验中，小车受的拉力 ，但在实验中认为小车受的拉力等于钩码的重力 ，则相对误差为 。可见，在钩码的质量相等的条下，小车的质量越大，相对误差越小。但是，实验中认为两次实验小车受的拉力相等（都是两个钩码） ，但实际是不相等的，其中第 1 次是 018N，第 2 次是 019N，相对误差为 。2用公式法分析误差根据公式 ，得相对误差为 ，也就是说，小车质量 比钩码质量 大得越多，相对误差越小，即实验条是：只有当 时，才能认为小车受力等于钩码的重力。但无论如何，高

8、达 的误差，是不能令人信服的。也就是说，上述实验是不可取的，只能把钩码的质量降到 及以下，因为一般认为，所谓在误差范围内，是指误差在 左右或以下。这样做实验的主要问题还不在误差上，主要问题在：实验给同学造成一个错觉，一个严重的错觉，那就是学生觉得，小车受的拉力等于钩码的重力，这个错觉的还在于：初中他们学静止和匀速运动时，小车受的拉力确实等于钩码的重力。这个错觉很难纠正，以至于在很多题中体现出。三、实验的改进把“控制变量法” 改为 “补偿法”所谓“补赏法 ”，是这样做实验：第 1 次，仍然是小车的质量为 ，钩码的质量为 ，而第二次改为：把挂着的两个钩码其中的 1 个移到小车上，则小车的质量为 ，

9、钩码的质量为 。这样，小车受的拉力，原是 ，后变为 。这样， （因为 ） ，比较接近 2：1 了。而小车受力与质量的比值分别为：第 1 次， ，第 2 次， ，两次的比值为： ，用数字计算则为： = ， = ，我们可以理直气壮地说，小车的加速度与受力与质量的比值成正比。这样还可以毕其功于一役，不要分“加速度与力的关系 ”和“加速度与质量的关系”两步做实验了。最重要的还是，不要让学生认为：小车受的拉力等于钩码的重力。1 （2010 年高考江苏卷第 11 题） （10 分）为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置（如图所示） 。

10、实验时，平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力。 （1）往砝码盘中加入一小砝码，在释放小车 （选填“之前 ”或“之后”）接通打点计时器的电，在纸带上打出一系列的点。（2）从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间 t与速度 v 的数据如下表：请根据实验数据作出小车的 v-t 图像。（3）通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大，你是否同意他的观点？请根据 v-t 图象简要阐述理由。【答案】 （1）之前 （2） （见右图）（3）同意 在 v-t 图象中，速度越大时，加速度越小，小车受到的合力越小，则小车受空气阻力

11、越大。2 （2010 年高考东卷第 23 题） （1）某同学设计了如图所示的装置探究加速度与力的关系。弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线 N、PQ ，并测出间距 。开始时将木板置于 N 处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数 F0，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数 F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到 PQ 处的时间 。木板的加速度可以用 、 表示为 ；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是（一种即

12、可）。改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度 与弹簧秤示数 F1 的关系。下列图象能表示该同学实验结果的是。用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是。a可以改变滑动摩擦力的大小b可以更方便地获取多组实验数据可以比较精确地测出摩擦力的大小d可以获得更大的加速度以提高实验精度【解析】 （1） 。B32007 江苏物理卷第题（分）如题（a）图，质量为的滑块放在气垫导轨上，为位移传感器，它能将滑块到传感器的距离数据实时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块的位移时间（s-t）图象和速率时间（v-t）图象。整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为了 l、高度为 h。 （取重力加

13、速度 g=98/s2，结果可保留一位有效数字）（）现给滑块一沿气垫导轨向上的初速度，的 v-t 图线如题(b) 图所示。从图线可得滑块下滑时的加速度 a= /s2 ,摩擦力对滑块运动的影响 。 （填“明显，不可忽略” 或“不明显，可忽略”）（）此装置还可用验证牛顿第二定律。实验时通过改变 ，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；实验时通过改变 ，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。（）将气垫导轨换成滑板，滑块换成滑块 ，给滑块一沿滑板向上的初速度，的 s-t 图线如题（）图。图线不对称是由于造成的，通过图线可求得滑板的倾角 （用反三角函数表示） ，滑块与滑板间的动摩擦因数 【答案】

14、（1）6 不明显，可忽略（2）斜面高度滑块的质量及斜面高度，且使不变（）滑动摩擦力 （ 都算对（都算对）【解析】 （1）下滑时，加速度为 ；上滑时，加速度为 摩擦力对滑块 A 运动的影响不明显，可忽略。（2）改变斜面高度 h, 则改变斜面的倾角，则改变产生加速度的力（ ） ，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；改变滑块A 的质量及斜面的高度 h，且使 h 不变，因为 ，使 h 不变，则 F 不变，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。（）图线不对称是由于滑动摩擦力造成的，因为在滑块上滑时，加速度的大小为 ，在滑块下滑时，加速度的大小为 ，在滑动摩擦力不可忽略的情况下，二者不等， 图象

15、不对称。从题 13（b）图中得 ，又 ，所以 = 。 （ 都对） 。从题 13（）图中上滑阶段读出， ， ，根据 得 ，代入 = ，已知 ，则 ，解得 。42007 海南物理卷第 14 题现要验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律。给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面（如图） 、小车、计时器一个、米尺。 （）填入适当的公式或字，完善以下实验步骤（不考虑摩擦力的影响）： 小车自斜面上方一固定点1 从静止开始下滑至斜面底端2，记下所用的时间 用米尺测量 1 与2 之间的距离 s，则小车的加速度 _。 用米尺测量1 相对于2 的高 h。设小车所受重力为 g，则小车所受的合外力_。 改变_，重复上述测量。 以 h 为横坐标， 为纵坐标，根据实验数据作表作图。如能得到一条过原点的直线，则可以验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律。（）在探究如何消除上述实验中摩擦阻力影响的过程中，某同学设计的方案是： 调节斜面倾角，使小车在斜面上匀速下滑。测量此时1 点相对于斜面底端2 的高度 h。 进行（1）中的各项操作。 计算与作图时用（hh）代替 h。对此方案有以下几种评论意见： 方案正确可行 方案的理论依据正确，但利用所