《2020版高考物理一轮复习 第3章 实验4 验证牛顿运动定律教学案 新人教版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020版高考物理一轮复习 第3章 实验4 验证牛顿运动定律教学案 新人教版（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验四验证牛顿运动定律1实验目的(1)学会用控制变量法研究物理规律。(2)探究加速度与力、质量的关系。(3)掌握运用图象处理问题的方法。2实验原理用控制变量法探究加速度a与力F、质量M的关系，可以先保持F不变，研究a和M的关系，再保持M不变，研究a和F的关系。3实验器材带定滑轮的长木板、低压交流电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线。4实验步骤(1)用天平测出小车的质量M，小盘和砝码的总质量m。(2)按图把实验器材安装好，先不要把悬挂小盘的细绳系在车上。(3)在木板的一端下面垫一木块，移动木块的位置，直至小车拖着纸带在斜面上做匀速运动。(4)小盘绕过滑轮系于
2、小车上，先接通电源后放开小车，打完点后切断电源，取下纸带。(5)保持小车的质量M不变，改变砝码和小盘的质量m，重复步骤(4)五次。(6)在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a。(7)作aF的图象，若图象为一过原点的直线，证明加速度与力成正比。(8)保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量M，重复步骤(4)和(6)，作a图象，若图象为一过原点的直线，证明加速度与质量成反比。5注意事项(1)安装器材时，要调整滑轮的高度，使拴小车的细绳与木板平行。(2)平衡摩擦力时，小车连着穿过打点计时器的纸带，但不要把悬挂小盘的细线系在小车上。改变砝码的质量后，不需要重新平衡摩擦力。(3)只有小车的质量远
3、大于小盘和砝码的总质量，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。(4)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，在小车到达滑轮前按住小车。考点一| 实验原理与操作本实验的难点是测量小车的合力，实验通过两个“替代”关系测量小车的合力，使小车合力的测量转化为对悬挂物重力的测量。1平衡摩擦力用小车所受的拉力替代合力小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合力为零，则小车所受的拉力等于小车的合力。2小车质量(M)远大于悬挂物质量(m)用悬挂物重力替代小车所受的拉力由牛顿第二定律：系统加速度ag，小车所受的拉力FMaMmg，显然，当Mm时Fmg。1在“
4、验证牛顿运动定律”实验中，采用如图所示的装置图进行实验。(1)对小车进行“平衡摩擦力”操作时，下列必须进行的是_(填字母序号)。A取下沙和沙桶B在空沙桶的牵引下，轻推一下小车，小车能做匀速直线运动C小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时，打点计时器的电源应断开D把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度(2)实验中，已经测出小车的质量为M，沙和沙桶的总质量为m，若要将沙和沙桶的总重力大小作为小车所受拉力F的大小，这样做的前提条件是_。(3)在实验操作中，下列说法正确的是_。A求小车运动的加速度时，可用天平测出沙和沙桶的质量M和m，以及小车质量M，直接用公式ag求出B实验时，应先接通打点计时器的电源
5、，再放开小车C每改变一次小车的质量，都需要改变垫入的小木块的厚度D先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持小车受力不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系解析：(1)平衡摩擦力时使小车所受重力沿木板方向分力与小车所受摩擦力平衡，故A、D项正确，B项错误；为确定小车是否为匀速运动，需要通过纸带上点迹是否均匀来判断，故C项错误。(2)根据牛顿第二定律得，mg(Mm)a，解得a，则绳子的拉力FMa，可知当沙和沙桶的总质量远小于小车质量时，小车所受的拉力等于沙和沙桶的总重力，所以应满足的条件是沙和沙桶的总质量远小于小车的质量。(3)本实验是“验证牛顿运动定律”，所以不能把
6、牛顿第二定律当成已知的公式来使用，故A错误；使用打点计时器时，应该先接通电源，后释放纸带，故B正确；平衡摩擦力后有tan ，小车质量改变时，总满足mgsin mgcos ，与小车质量无关，所以不用再次平衡摩擦力，故C错误；本实验采用控制变量法，故D正确。答案：(1)AD(2)沙和沙桶的总质量远小于小车的质量(3)BD2(2019天津检测)小王同学在探究加速度与力、质量的关系时，小车及砝码的质量用M表示，沙桶及沙的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带计算出。(1)往沙桶中加入一定量的沙子，当M与m的大小关系满足_时，可近似认为绳对小车的拉力大小等于沙桶和沙的重力；在释放小车_(选填“之
7、前”或“之后”)接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。(2)在平衡摩擦力后，他用打点计时器打出的纸带的一段如图所示，该纸带上相邻两个计数点间还有4个点未标出，打点计时器使用交流电的频率是50 Hz，则小车的加速度大小是_m/s2，当打点计时器打B点时小车的速度是_m/s。(结果保留3位有效数字)(3)小张同学用同一装置做实验，他们俩在同一坐标系中画出的aF关系图线如图所示，小张和小王同学做实验，哪一个物理量是不同的_。解析：(1)小车实际的加速度为a，绳子拉力为FMa，因此只有当mM时，拉力F才近似等于mg；实验中应先接通电源再释放小车。(2)a0.390 m/s2，vB0.377 m
8、/s。(3)图线的斜率为小车及砝码的总质量的倒数，因此小车及砝码的总质量不同。答案：(1)mM之前(2)0.3900.377(3)小车及砝码的总质量考点二| 数据处理与误差分析本实验的偶然误差主要由质量的测量、计数点间距测量引起，可通过多次测量取平均值减小误差。本实验的系统误差主要由两个因素产生，分析如下：(1)平衡摩擦力不准造成的误差图线aF不通过原点，分两种情况：当平衡摩擦力不够时，F0，a0。当平衡摩擦力过度时，F0，a0。(2)由于不满足Mm引起的误差图线aF和a都向下弯曲，分析：在aF图象中，根据amg，M一定，当满足Mm时，图线斜率视为不变，图线为直线。不满足Mm时，随着m增大，图
9、线斜率减小，图线向下弯曲。在a图象中，根据amg，m一定，当满足Mm时，图线斜率视为mg不变，图线为直线。不满足Mm时，随着M减小，图线斜率减小，图线向下弯曲。1(2019宁德质检)某次“探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系”实验过程是：甲乙(1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验得到的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1 s，根据纸带可求出小车的加速度大小为_m/s2(结果保留2位有效数字)。(2)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，进行多次测量。根据实验数据做出了加速度a随拉力F的变化图线，如图所示。图中直线没有通过原点，其主要原因是_。(3)保持沙和沙桶质量不变
10、，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度a、质量m及其对应的的数据如表中所示：实验次数12345678小车加速度a/(ms2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车和砝码质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg14.003.453.032.502.001.411.000.60a.请在坐标纸中画出a图线：b根据作出的a图象可以得到的结论是_。解析：(1)由图中数据可知xAC2.40 cm，xCE4.10 cm，利用公式xaT2可知，a m/s20.43 m/s2。(2)见答案(3)见答案答案：(1)0.43(2)实
11、验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)(3)a.如图所示b图线为过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量成反比2如图为某同学做“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置示意图，一端带有定滑轮的木板直接放在水平桌面上，细线与长木板平行。在研究小车(含砝码)质量不变，加速度和作用力的关系时，他先后五次改变沙和沙桶的总质量，测出相应的加速度a。在第一次测量时，沙和沙桶的总质量为m1、车质量M20m1，以后每次在沙桶里增加质量为m的沙子，已知m。(1)若把沙和沙桶的总重力作为小车所受合力F的大小，按这五组数据画出的aF图象可能是图中的_。ABCD(2)第(1)题图象中图线不过坐标原点的原因是_，若
12、对此采取了纠正，该实验还存在一个较大的系统误差，是由沙和沙桶的总重力不等于小车受到的拉力引起的。设沙和沙桶的总重力为F测，小车真正受到的拉力为F真。若定义100%为拉力测量的百分误差，现要求百分误差不大于5%，则当小车的总质量为200 g时，沙和沙桶的总质量最大不能超过_g。解析：(1)设小车与木板之间的动摩擦因数为，由牛顿第二定律可得FMgMa，解得ag，A、B两项错误。若F较大时，不满足Mm，此时应用牛顿第二定律求解加速度时，绳子的拉力F不可近似认为等于沙和沙桶的重力，而是小于沙和沙桶的重力，故加速度值与ag相比减小，C项正确，D项错误。(2)由于未平衡摩擦力，故导致沙与沙桶重力较小时，小
13、车未加速运动，aF图象上表现为不过原点，与横轴有一定截距；由题意可知F测mg，设整体的加速度为a，由于摩擦力已被平衡，故绳的拉力为F真，由牛顿第二定律可得F真Ma，mgF真ma，解得F真，由题意可知百分误差100%100%5%，代入质量M200 g，解得m10 g。答案：(1)C(2)没有平衡小车所受的摩擦力10考点三| 实验拓展与创新近几年高考对本实验的考查，一般运用牛顿运动定律进行某一探究实验、利用先进系统采集数据等，通过改变实验条件、实验仪器或巧用物理规律进行新的探究活动。命题趋势有如下几个方面：常见创新视角实验器材的替换用气垫导轨替代长木板，将气垫导轨调成水平，不需要平衡摩擦力数据测量的改进(1)合外力的测量由力传感器直接测量(2)加速度的获得测定通过的时间，由a求出加速度小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到实验目的创新以“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1(2019临沭模拟)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t1、t2都可以被测量并记录。滑行器连同上面固定
