(新高考)高考物理一轮复习课件第3章 实验四 验证牛顿运动定律(含解析)

第三章牛顿运动定律实验四验证牛顿运动定律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.【目标要求】内容索引NEIRONGSUOYIN考点一教材原型实验考点二拓展创新实验实验技能储备实验技能储备011.实验原理(1)保持质量不变，探究加速度跟的关系.(2)保持合外力不变，探究加速度与的关系.(3)作出aF图象和a图象，确定a与F、m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.合外力质量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).牵引力图图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，使小车能下滑.(4)操作：槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先后，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，作aF的图象.保持槽码的质量m不变，改变小车质量m，重复步骤和，作a图象.匀速接通电源放开小车4.数据处理(1)利用逐差法或vt图象法求a.(2)以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a与F成正比.(3)以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a与m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：.(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，并应先，后，且应在小车到达滑轮前按住小车.mm打点计时器接通电源释放小车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02例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，第8组数据中小车质量和加速度数据漏记.图图2组号F/Nm/kga/(ms2)10.290.860.3420.140.360.3930.290.610.4840.190.360.5350.240.360.6760.290.410.7170.290.360.8180.2990.340.360.94(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50Hz，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；0.90(0.890.92)解析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：T0.025s0.1s根据逐差法可得x34x122a1T2，x23x012a2T2(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)，作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)，作am图象.这种研究方法叫作_法；2、4、5、7、91、3、6、7、8控制变量解析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2、4、5、7、9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1、3、6、7、8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)作出的am图象如图丙所示，由图象_(填“可以”或“不可以”)判断a与m成反比.不可以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”.12跟进训练图图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12B12解析平衡摩擦力时，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；120.0512(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_.C122.(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个，每个质量均为0.010kg.实验步骤如下：12图图4(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图像，经数据处理后可得到相应的加速度a.12(3)对应于不同的n的a值见下表.n2时的st图像如图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.12图图5n12345a/(ms2)0.200.580.781.000.39解析因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将图中点(2s,0.78m)代入sat2可得，a0.39m/s2.(4)利用表中的数据在图6中补齐数据点，并作出an图像.从图像可以看出：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.12图图6答案见解析图解析根据描点法可得如图所示图线.12(5)利用an图像求得小车(空载)的质量为_kg(保留2位有效数字，重力加速度取g9.8ms2).120.44解析根据牛顿第二定律可得nmg(M5m)a，可得M0.44kg，(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.an图线不再是直线B.an图线仍是直线，但该直线不过原点C.an图线仍是直线，但该直线的斜率变大12BC12解析平衡摩擦力时，以小车和钩码整体为研究对象有：nm0g(m5m0)a，若保持木板水平，则小车将受到木板的摩擦力，有nm0gmg(5n)m0g(m5m0)a，说明an图像仍为直线，但不再过原点，且斜率变大.故选B、C.03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A、B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mgMg(Mm)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数例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)图图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MAE解析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，A、E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)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50Hz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).1.32图图8解析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T0.06s，由xaT2，则有：am/s21.32m/s2；(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，求得图线的斜率为k，则小车的质量为_.解析小车所受合力为弹簧测力计示数的两倍，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50Hz的交流电源、纸带等.回答下列问题：跟进训练图图934(1)铁块与木板间动摩擦因数_(用木板与水平面的夹角、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示).解析对铁块受力分析，由牛顿第二定律有mgsinmgcosma，34(2)某次实验时，调整木板与水平面的夹角使30.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9.80m/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).0.3534图图10解析两个相邻计数点之间的时间间隔34由逐差法和xaT2可得4.如图11甲所示是某同学探究“小车加速度与力的关系”的实验装置，他将光电门固定在水平轨道上的B点，用不同重物通过细线拉同一小车，每次小车都从同一位置A由静止释放.图图1134(1)若用10分度的游标卡尺测出遮光条的宽度d，如图乙所示，则宽度为_mm，实验时将小车从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间t，则小车经过光电门的速度为v_(用字母表示).4.7解析由题图乙可知第7条刻度线与主尺刻度线对齐，游标卡尺读数为11.0mm70.9mm4.7mm.由于遮光条的宽度较小，所以遮光条通过光电门的平均速度等于小车的瞬时速度，即v.34(2)测出多组重物的质量m和对应遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图象，研究小车加速度与力的关系，处理数据时应作出_图象.D34(3)有一位同学通过实验数据作出的图线如图丙所示，试分析：图线不通过坐标原点的原因是_；未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足解析题图丙中图线与横轴有交点，说明在外力比较小时小车没有加速度，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；34图线上部弯曲的原因是_.未满足小车的质量M远大于重物的质量m34可见当m较大而不满足Mm时图象斜率会明显减小.