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1、高考物理一轮复习实验四 验证牛顿运动定律(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。电磁打点计时器、复写纸片和纸带、一端带有定滑轮的长木板、小车、小盘、低压交流电源、天平、砝码、刻度尺、导线。图实 41 (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
2、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小车所受摩擦力平衡。在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下，可以近似认为小盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小。(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。(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，让小车在木板上精选
3、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页滑动打出纸带。(7) 改变小车上砝码的个数，重复步骤(6) 。(1) 把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：实验次数加速度a/(ms2)小车受力F/N 1234图实 42 由以上数据画出它的aF关系图象如图实42 所示。通过aF关系图象，我们可以得出小车的加速度a与力F成正比。(2) 把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中：实验次数加速度a/(ms2)小车质量M/kg 1234由以上数据画出它的aM图象及a1M图象，如图实4 3 甲、乙所示。图实 43 通过aM和a1
4、M关系图象，我们可以得出小车的加速度a与质量M成反比，与质量的倒数1M成正比。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页(1) 平衡摩擦力时，调节长木板形成一个合适的斜面，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，并要让小车拖着纸带运动。(2) 在本实验中，由于两个小车轮子的灵活程度可能不相同，所受的摩擦力也可能不相等，平衡摩擦力就有困难。应该尽可能选取光滑的长木板进行实验，以减小因摩擦而造成的系统误差。(3) 安装器材时，要调整滑轮的高
5、度，使拴小车的细绳与斜面平行，且连接小车和砝码盘应在平衡摩擦力之后。(4) 整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变重物质量，还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力。(5) 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重物质量的条件下打出。只有如此，重物重力才可视为小车受到的拉力。(6) 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。(7) 作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。(8) 作图时两轴标度比例要选择适当。各量须采用国际单位。这样作图线时，坐标点间距不
6、至于过密，误差会小些。(9) 为提高测量精度，可以采取下列措施：应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点。可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起， 每隔四个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为T0.1 秒。1系统误差以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg(Mm)a；以小车为研究对象得FMa；求得FMMmmg11mMmgmg。本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之， 小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小。因此， 满足小盘和砝码的总质
7、量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差。2偶然误差精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。本实验中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器，借助于计算机来处理。实验原理与操作 例 1 (2013天津模拟 ) 在验证牛顿第二定律实验中，(1) 某组同学用如图实44 所示装置，采用控制变量的方法，来研究小车质量不变的情况下，小车的加速度与小车受到的力的关系。
8、下列措施中不需要和不正确的是_。图实 44首先要平衡摩擦力，使小车受到的合力就是细绳对小车的拉力平衡摩擦力的方法就是，在塑料小桶中添加砝码，使小车能匀速滑动每次改变拉小车的拉力后都需要重新平衡摩擦力实验中通过在塑料桶中增加砝码来改变小车受到的拉力实验中应先放小车，然后再开打点计时器的电源A BCD 图实 45 (2) 某组同学实验得出数据，画出aF图象如图实45 所示，那么该组同学实验中出现的问题可能是_。A实验中摩擦力没有平衡B实验中摩擦力平衡过度C实验中绳子拉力方向没有跟平板平行D实验中小车质量发生变化 解析 (1) 为了确保细绳的拉力等于小车所受的合力，需要先平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法
9、是使木板倾斜，让重力沿斜面向下的分力等于小车所受的摩擦力，即满足tan 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页 ，不需要反复平衡摩擦力。因打点计时器刚开始打点不稳定，需要先接通电源，后放开纸带，选B。(2) 从图象看，拉力F等于零时，小车的加速度不为零，且加速度为正向值，则有可能是摩擦力平衡过度或拉力的测量值偏小，选B。 答案 (1)B (2)B 实验数据处理与误差分析 例 2 (2013德州模拟 ) 某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验。图实4 6 为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器
10、，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重量，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。图实 46 (1) 图实 4 7 为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为_m/s， 小车的加速度大小为_m/s2。 ( 结果均保留两位有效数字) 图实 47 (2) 在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图象( 如图实 48 所示 ) 。请继续帮助该同学作出坐标系中的图象。图实 48 (3) 在 “探究加速度a与合力F的关系”时，
11、该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图实49，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。答： _ 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页图实 49 解析 (1)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度，即B点的瞬时速度，故vBABBC4T240.02 m/s 1.6 m/s 。由逐差法求解小车的加速度aCDDEABBCT27.72 6.19 22 m/s23.2 m/s2(2) 将坐标系中各点连成一条直线，连接时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧，
12、离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑， 连线如图所示。(3) 图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。 答案 (1)1.6 3.2 (2) 图见解析(3) 实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够同类实验的拓展与创新 例 3 如图实 410 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，盒子内盛有砂子。砂桶的总质量( 包括桶以及桶内砂子质量) 记为m，小车的总质量( 包括车、盒子及盒内砂子质量) 记为M。图实 410 (1) 验证在质量不变的情况下，加速度与合力成正比。从盒子中取出一些砂子，装入砂桶中， 称量并记录砂桶的总重力mg，将该力视为合力F，对应的加速度a则
13、从打下的纸带中计算得出。 多次改变合力F的大小， 每次都会得到一个相应的加速度。本次实验中，桶内的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页砂子取自小车中，故系统的总质量不变。以合力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出aF图象，图象是一条过原点的直线。aF图象斜率的物理意义是_ 。你认为把砂桶的总重力mg当做合力F是否合理？答： _。( 选填“合理”或“不合理”)本次实验中，是否应该满足M?m这样的条件？答： _( 选填“是”或“否” ) ；理由是 _ 。(2) 验证在力不变的情况下，加速度与质量成反比。保持桶及桶内砂子质量m不
14、变，在盒子内添加或去掉一些砂子，验证加速度与质量的关系。本次实验中， 桶内的砂子总质量不变，故系统所受的合力不变。用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以_的倒数为横轴。 解析 (1) 将车内的砂子转移到桶中，就保证了Mm不变， 即系统的总质量不变，研究对象是整个系统，aF合MmmgMm，可见aF图象斜率的物理意义是1Mm，系统的合力就等于所悬挂砂桶的重力mg，不必满足M?m这样的条件。(2) 向小车内添加或去掉部分砂子，是改变系统的总质量Mm，而系统的合力仍等于所悬挂砂桶的重力mg，保证了合力不变。 答案 (1) 1Mm合理否因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的合力就等于mg(2)Mm 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页