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2011届《金版新学案》高三物理一轮复习 第三章 第4讲 实验四验证牛顿第二定律课件 新人教版


第4讲

实验四 验证牛顿第二定律

? 1.学会用控制变量法研究物理规律. ? 2.验证牛顿第二定律. ? 3.掌握利用图象处理数据的方法.

? 探究加速度a与力F及质量m的关系时,应 用的基本方法是控制变量法,即先控制一 个参量——小车的质量m不变,讨论加速度 a与力F的关系,再控制小盘和砝码的质量 不变,即力

F不变,改变小车质量m,讨 论加速度a与m的关系.

? 打点计时器、纸带,复写纸片、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.

? 1.用天平测量小盘的质量m0和小车的质量 M0. ? 2.把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上, 并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在 长木板上远离滑轮的一端,连接好电路. ? 3.平衡摩擦力:小车的尾部挂上纸带,纸 带穿过打点计时器的限位孔,将木板无滑 轮的一端稍微垫高一些,使小车在不挂小 盘和砝码的情况下,能沿木板做匀速直线 运动.这样小车所受重力沿木板的分力与

? 4.把小车停在打点计时器处,挂上小盘和 砝码,先接通电源,再让小车拖着纸带在 木板上匀加速下滑,打出一条纸带.计算 小盘和砝码的重力,即为小车所受的合外 力,由纸带计算出小车的加速度,并把力 和对应的加速度填入表(一)中. ? 5.改变小盘内砝码的个数,重复步骤4, 并多做几次. ? 6.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

? 7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6, 并将所对应的质量和加速度填入表(二)中. 表(一)
实验次数 加速度a/(m·s- 2) 小车受力F/N

1 2 3 4

? 表(二) 实验次 数 1 2 3 加速度 a/(m·s-2) 小车质量 M/kg

? 8.数据处理 ? (1)用纵坐标表示加速度a,横坐标表示作用 力F,作用力的大小F等于小盘和砝码的总 重力,根据实验结果在坐标平面上画出相 应的点,如果这些点是在一条过原点的直 线上,便证明了加速度与作用力成正比. ? (2)用纵坐标表示加速度a,横坐标表示小车 和砝码总质量的倒数,根据实验结果在坐 标平面上画出相应的点,如果这些点是在 一条过原点的直线上,就证明了加速度与

? 1.一定要做好平衡摩擦力的工作,也就 是调出一个合适的斜面,使小车的重力沿 着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦 阻力.在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘 的细线系在小车上,即不要给小车加任何 牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运 动. ? 2.实验步骤2、3不需要重复,即整个实 验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘

? 3.每条纸带必须在满足小车与车上所加砝 码的总质量远大于小盘和砝码的总质量的 条件下打出.只有如此,小盘和砝码的总 重力才可视为小车受到的拉力. ? 4.改变拉力和小车质量后,每次开始时小 车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电 源,再放开小车,且应在小车到达滑轮前 按住小车.

? 1.质量的测量误差,纸带上打点计时器打 点间隔距离的测量误差,拉线或纸带不与 木板平行等都会造成误差.

? 2.因实验原理不完善造成误差 ? 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车 受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于 小盘和砝码的总重力),存在系统误差.小 盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误 差就越大;反之,小盘和砝码的总质量越 小于小车的质量,误差就越小. ? 3.平衡摩擦力不准造成误差 ? 在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外,其他 的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接

?

在探究加速度与 力、质量的关系实验中, 采用如图所示的实验装置, 小车及车中砝码的质量用 M表示,盘及盘中砝码的 质量用m表示,小车的加

? (1)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及盘 中砝码的重力. ? (2)一组同学在做加速度与质量的关系实验 时,保持盘及盘中砝码的质量一定,改变 小车及车中砝码的质量,测出相应的加速 度,采用图象法处理数据.为了比较容易 地确定出加速度a与质量M的关系,应该作a 与________的图象.

? (3)如下图(a)为甲同学根据测量数据作出的a -F图线,说明实验存在的问题是 ___________________. ? (4)乙、丙同学用同一装置做实验,画出了 各自得到的a-F图线如图(b)所示,两个同 学做实验时的哪一个物理量取值不同?

【解析】 (1)当 M?m 时,才可以认为绳对小车的 拉力大小等于盘及盘中砝码的重力. (2)因由实验画的 a-M 图象是一条曲线,难以判定 它所对应的函数式,从而难以确定 a 与 M 的定量关系, 1 所以在实验中应作 a- 图象而不是 a-M 图象来分析实 M 验结果. (3)图(a)甲同学根据测量数据作出的 a-F 图线没有 过原点,图象交于 F 轴上一点,说明没有平衡摩擦力或 平衡摩擦力不够.

? (4)乙、丙同学用同一装置做实验,画出了 各自得到的a-F图线,两图象的斜率不同, 说明两个同学做实验时的小车及车上砝码 的总质量不同.

?

若测得某一物体质量M一定时,a与F的 a/(m·s- 有关数据资料如下表所示. 5.95 8.12 1.98 4.06 2) F/N 1.00 2.00 3.00 4.00

? (1)根据表中数据,在如下图所示坐标中画 出a-F图象.

? 【解析】 本题主要考查“验证牛顿运动 定律”实验的数据处理方法及结果分析. 若a与F成正比,则图象是一条过原点的直 线.同时,因实验中不可避免地出现误差, 则在误差允许范围内图象是一条过原点的 直线即可.连线时应使直线过尽可能多的 点,不在直线上的点应大致对称分布在直 线两侧,离直线较远的点应视为错误数据, 不予以考虑,如下图所示.

?

如下图所示的实验装置可以验证牛顿运 动定律,小车上固定一个盒子,盒子内盛 有沙子,沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙 子质量)记为m,小车的总质量(包括车、盒 子及盒内沙子质量)记为M.

? (1)验证在质量不变的情况下,加速度与合 外力成正比:从盒子中取出一些沙子,装 入沙桶中,称量并记录沙桶的总重力mg, 将该力视为合外力F,对应的加速度a则从 打下的纸带中计算得出.多次改变合外力F 的大小,每次都会得到一个相应的加速 度.本次实验中,桶内的沙子取自小车中, 故系统的总质量不变.以合外力F为横轴, 以加速度a为纵轴,画出a-F图象,图象是 一条过原点的直线.

? ①a-F图象斜率的物理意义是________. ? ②你认为把沙桶的总重力mg当做合外力F是 ______.(填“合理”或“不合理”) ? ③本次实验中,____(填“是”或“否”)应 该满足M ?m这样的条件;理由是 ______________________. ? (2)验证在合外力不变的情况下,加速度与 质量成反比:保持桶内沙子质量m不变,在 盒子内添加或去掉一些沙子,验证加速度 与质量的关系.本次实验中,桶内的沙子

【解析】 (1)将车内的沙子转移到桶中,就保证了 M +m 不变,即系统的总质量不变,研究对象是整个系统,a F合 mg 1 = = , 可见 a-F 图象斜率的物理意义是 , M+m M+m M+m 系统的合外力就等于所悬挂沙桶的重力 mg, 不必满足 M ? m 这样的条件.

? (2)向小车内添加或去掉部分沙子,是改变 系统的总质量M+m,而系统的合外力仍 等于所悬挂沙桶的重力mg,保证了合外 力不变.

1 【答案】 (1)① ②合理 ③否 因为实验的研 M+m 究对象是整个系统,系统受到的合外力就等于 mg (2)M+ m

? 1.在利用打点计时器和小车来做“验证 牛顿运动定律”的实验时,下列说法中正 确的是 ( ) ? A.平衡摩擦力时,应将砝码盘及盘内砝 码通过定滑轮拴在小车上 ? B.连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板 保持平行 ? C.平衡摩擦力后,长木板的位置不能移 动

? 【解析】 本题考查实验过程中应注意的 事项,选项A中平衡摩擦力时,不能将砝 码盘及盘内砝码(或小桶)通过细绳拴在小 车上,A错;选项在B、C、D符合正确的 操作方法,B、C、D对. ? 【答案】 BCD

? 2.在“验证牛顿运动定律”的实验中,在 研究加速度a与小车的质量M的关系时,由 于没有注意始终满足M?m的条件,结果得 到的图象应是下图中的( )

Mmg 【解析】 在本实验中绳中的张力 F= ,则小车 M+m F mg 的加速度 a=M= ,在研究加速度跟小车质量 M 的关 M+m 系时,保持 m 不变,若横轴为 1/(M+m),则 a-1/(M+m) 图象应是过原点的直线, 当满足 M?m 时, 可以忽略不计, m mg a≈ M ,a-1/M 图象还可以满足图象是过原点的直线;当小 车的质量较小、不满足 M?m 时,图象便发生向下弯曲.故 选 D.

【答案】

D

? 3.(2010年南通质检)“验证牛顿运动定律” 的实验,主要的步骤有: ? A.将一端附有定滑轮的长木板放在水平桌 面上,取两个质量相等的小车,放在光滑 的水平长木板上 ? B.打开夹子,让两个小车同时从静止开始 运动,小车运动一段距离后,夹上夹子, 让它们同时停下来,用刻度尺分别测出两 个小车在这一段时间内通过的位移大小 ? C.分析所得到的两个小车在相同时间内通

? D.在小车的后端也分别系上细绳,用一只 夹子夹住这两根细绳 ? E.在小车的前端分别系上细绳,绳的另一 端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘内分别放 着数目不等的砝码,使砝码盘和盘内砝码 的总质量远小于小车的质量.分别用天平 测出两个砝码盘和盘内砝码的总质量 ? 上述实验步骤,正确的排列顺序是 ________.

? 【解析】 此题考查的是实验步骤,对于 实验的一些常识,必须牢记于心,结合本 实验的实验步骤,不难排列出正确的顺 序. ? 【答案】 AEDBC

? 4.如下图所示,是某次利用气垫导轨探究 加速度与力、质量关系的实验装置安装完 毕后的示意图,图中A为砂桶和砂,B为定 滑轮,C为滑块及上面添加的砝码,D为纸 带,E为电火花计时器,F为蓄电池、电压 为6 V,G是电键,请指出图中的三处错误:

? (1)___________________________________ _____________________________________; ? (2)___________________________________ _____________________________________; ? (3)___________________________________ _____________________________________ . ? 【答案】 (1)B接滑块的细线应水平(或与 导轨平行) ? (2)C滑块离计时器太远

? 5.(2009年江苏卷)“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. ? (1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中, 打出了一条纸带如图乙所示.计时器打点 的时间间隔为0.02 s.从比较清晰的点起, 每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之 间的距离.该小车的加速度a= ________m/s2.(结果保留两位有效数字)

? (2)平衡摩擦力后,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.小车的加速度a与砝码盘中砝码总

砝码盘中 砝 码总重力 0.19 0.39 0.58 0.78 0.98 F(N) 6 2 8 4 0 加速度a (m·s-2) 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70

? 请根据实验数据作出a-F的关系图象.

? (3)根据提供的实验数据作出的a-F图线不 通过原点,请说明主要原因. ? 【解析】 根据Δx=aT2可计算小车的加速 度,a=0.16 m/s2,运用表格中给出的数据 可绘出图象,图象不过原点的主要原因是 未计入砝码盘的重力.

? 【答案】 (1)0.16 (0.15也可) (2)见下图

? (3)未计入砝码盘的重力


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