《2021高考物理一轮复习第3章牛顿运动定律实验四：验证牛顿运动定律教案202103222688165.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2021高考物理一轮复习第3章牛顿运动定律实验四：验证牛顿运动定律教案202103222688165.pdf（15页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、-1-实验四：验证牛顿运动定律 ,注意事项 1平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，且要让小车拖着纸带匀速运动。2实验条件：小车的质量M远大于小盘和砝码的总质量m。3操作要领：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，且应在小车到达定滑轮前按住小车。误差分析 1因实验原理不完善引起误差。以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg(Mm)a；-2-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。2摩擦力平
2、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。考点一 教材原型实验 考法 实验原理与实验操作(2020广东实验中学月考改编)某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)实验中除了需要小车、砝码、托盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、两根导线、复写纸、纸带之外，还需要_、_。(2)下列做法正确的是_。A调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行 B在调节木板倾斜角度平衡小车受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的托盘通过定滑轮拴在小车上 C实验时，先放开小车再接通打点计时器的电源 D通过增减小车上的砝码改变质量时
3、，不需要重新调节木板倾斜度 E用托盘和盘内砝码的重力作为小车和车上砝码受到的合外力，为减小误差，实验中一定要保证托盘和砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量(3)某同学以小车和车上砝码的总质量的倒数1M为横坐标，小车的加速度a为纵坐标，在坐标-3-纸上作出的a 1M关系图线如图所示。由图可分析得出：加速度与质量成_关系(填“正比”或“反比”)；图线不过原点说明实验有误差，引起这一误差的主要原因是平衡摩擦力时长木板的倾角_(填“过大”或“过小”)。解析：(1)实验中需要用托盘和砝码的总重力表示小车受到的拉力，需测量托盘的质量，所以还需要天平。实验中需要用刻度尺测量纸带上点迹间的距离，从而得出加
4、速度，所以还需要刻度尺。(2)平衡摩擦力时应系上纸带，不能挂托盘。调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行，A 项正确，B 项错误；平衡摩擦力后细绳与木板平行，且托盘和砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量时，托盘和砝码的总重力近似等于小车和车上砝码受到的合外力，E 项正确；实验时应该先接通电源，后释放小车，使得纸带上点迹多一些，以便于测量加速度，还要多测几组数据减小偶然误差，C 项错误；通过增减小车上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板的倾斜角度，D 项正确。(3)a1M图象是一条直线，a与M成反比；图象在a轴上有截距，这是平衡摩擦力时木板的倾角过大造成的。答案：(1)天平 刻度尺
5、(2)ADE(3)反比 过大 变式 1 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，采用如图所示的装置图进行实验：(1)实验中，需要在木板的右端垫上一个小木块，其目的是：_。(2)实验中，已知测出小车的质量为M，砝码(包括砝码盘)的总质量为m，若要将砝码(包括砝码盘)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_(填序号)。A 求小车运动的加速度时，可用天平测出小盘和砝码的质量M和m，以及小车质量M，直接用公式aMmMg求出 B实验时，应先接通打点计时器的电源，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
6、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 -4-解析：(1)本实验木板表面不可能光滑，摩擦力会影响实验结果，所以要平衡摩擦力。(2)根据牛顿第二定律得mg(Mm)a，解得amgMm，则绳子的拉力FMaMmgMmmg1mM，可知当砝码(包括砝码盘)的总质量远小于小车质量时，小车所受的拉力等于砝码(包括砝码盘)的总重力，所以应满足的条件是砝码(包括砝码盘)的总质量远小于小车的质量。(3)本实验的目的是：探究加速度与力、质量的关系，所以不能把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，都应该先接通电源，后释放纸带，故
7、 B 正确；平衡摩擦力后tan，与重物的质量无关，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)平衡摩擦力(2)mM(3)BD 考法 数据处理及误差分析 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。图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。(1)图乙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/
8、s2。(结果均保留两位有效数字)(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(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图象。-5-(3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁，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。_。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 vBABBC4T6.196.7010240.02m/s1.6 m/s。由逐差法求解小车的加速度，aCDDEABBC42T2 7.217.726.196.70
9、102420.022 m/s2 3.2 m/s2。(2)将坐标系中各点连成一条直线，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地分布在直线的两侧，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)见解析(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 变式 2 用如图甲所示装置做“探究物体的加速度与力的关系”的实验。实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度。-6-(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫块的左右位置，直到
10、小车做匀速直线运动，这样做的目的是_。(2)图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的 5 个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有 4 个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离，如图所示。已知打点计时器接在频率为 50 Hz 的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a_m/s2。(结果保留两位有效数字)(3)实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出a F关系图象，如图丙所示。此图象的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是_。(填选项字母)A小车与平面轨道之间存在摩擦 B平面轨道倾
11、斜角度过大 C所挂钩码的总质量过大 D所用小车的质量过大 解析：(1)使平面轨道的右端垫起，让小车重力沿斜面方向的分力与它受到的摩擦阻力平衡，才能认为在实验中小车受的合外力就是钩码的重力，所以这样做的目的是平衡小车运动中所受的摩擦阻力。(2)由逐差法可知 axCExAC4T2 21.68.798.7910240.12 m/s2 1.0 m/s2。(3)在实验中认为细绳的张力F就是钩码的重力mg，实际上，细绳张力FMa，mgFma，即FMMmmg，-7-a1Mmmg1MmF，所以当细绳的张力F变大时，m必定变大，1Mm必定减小。当Mm时，a F图象为直线，当不满足Mm时，便有a F图象的斜率逐渐
12、变小，选项 C 正确。答案：(1)平衡小车运动中所受的摩擦阻力(2)1.0(3)C 考点二 实验的改进与创新 考法 合力测量的创新 某实验小组利用如图所示的实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系。(1)做实验时，将滑块从如图所示位置由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门 1、2 的时间(遮光条的遮光时间)分别为 t1、t2，用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离为x，遮光条宽度为d。则滑块经过光电门 1 时的速度表达式v1_，经过光电门 2 时的速度表达式为v2_，滑块加速度的表达式为a_。(以上表达式均用已知字母表示)(2)为了保持滑块所受的合力不变，可改
13、变滑块质量M和气垫导轨右端高度h。关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h”的正确操作方法是_。AM增大时，h增大，以保持二者乘积增大 BM增大时，h减小，以保持二者乘积不变 CM减小时，h增大，以保持二者乘积不变 DM减小时，h减小，以保持二者乘积减小 解析：(1)滑块经过光电门 1 时的速度表达式为v1dt1，经过光电门 2 时的速度表达式为v2dt2，滑块加速度的表达式为av22v212xdt22dt122x。(2)滑块所受的合力F合MghL(L为气垫导轨的长度)，为了保持滑块所受的合力不变，所以M和h不能同时增大或减小。故选 B、C。答案：(1)dt1 dt2 dt22dt122x(2
14、)BC 变式 3 某实验小组利用拉力传感器和打点计时器“探究加速度与力的关系”。他们将-8-拉力传感器固定在小车上记录小车受到拉力的大小，按照甲图进行实验，释放纸带时，小车处于甲图所示的位置。(1)指出甲图中的一处错误：_ _。(2)下列说法正确的是()A实验之前，要先平衡摩擦力 B小车的质量要远小于所挂钩码的质量 C应调节滑轮的高度使细线与木板平行 D实验时应先释放纸带，再接通电源(3)图乙是实验中获得的一条纸带的某部分，选取A、B、C、D、E计数点(每两个计数点间还有 4 个点未画出)，AC间的距离为_。(4)若打点计时器使用的交流电频率为 50 Hz，则小车的加速度大小为_m/s2。(保
15、留两位有效数字)解析：(1)打点计时器的电源应接交流电，而图中接了直流电；小车释放时未靠近打点计时器；实验前未平衡摩擦力。(2)为使合力等于绳子的拉力，实验前需要平衡摩擦力且应调节滑轮的高度使细线与木板平行，故 A、C 正确；在钩码的质量远小于小车的质量时，小车受到的拉力近似等于钩码受到的重力，故 B 错误；实验时应先接通电源，然后再释放小车，故 D 错误；故选 A、C。(3)由图读出AC的距离x3.10 cm。(4)根据作差法得：axT2xCExAC4T20.070 00.031 00.04 m/s20.98 m/s2。答案：(1)打点计时器的电源接了直流电；小车释放时离打点计时器太远；实验
16、前未平衡摩擦阻力(2)AC(3)3.10 cm(4)0.98 m/s2 考法 实验装置、加速度测量方案的创新 如图(a)、图(b)所示分别为甲、乙两位同学探究加速度与力的关系的实验装置示意图，他们在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一宽度为d的遮光条，由数字计时器-9-(图中未画出)可读出遮光条通过光电门的时间。甲同学直接用细线跨过定滑轮把滑块和钩码连接起来如图(a)，乙同学用细线绕过定滑轮把滑块与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码如图(b)，每次滑块都从A处由静止释放。(1)实验时应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他实验器材的情况下，如何判定调节到位？_。(2)实验时
17、，两同学首先将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间 t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是 _。(3)甲、乙两位同学通过改变钩码的个数来改变滑块所受的合外力。甲同学在实验时还需要测量记录的物理量有_，实验时必须满足的条件是_；乙同学在实验时需要测量记录的物理量有 _。(4)乙同学在完成实验时，下列不必要的实验要求是_。(填选项前字母)A应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量 B应使A位置与光电门间的距离适当大些 C应将气垫导轨调节水平 D应使细线与气垫导轨平行 解析：(1)判定调节到位的依据是在不挂钩码时，滑块能在任意位置静止不动。(2)两种情况下，滑块在
18、导轨上均做匀加速直线运动，滑块的初速度为零，到达光电门的瞬时速度vdt，根据初速度为零的匀加速直线运动公式v22ax可知，只要测出A位置与光电门间的距离L即可求得滑块的加速度。(3)甲同学所做实验中滑块(设质量为M)和钩码(设质量为m)所受的合外力等于钩码的重力mg，则有mg(Mm)a，所以甲同学还需要测量所挂钩码的质量m和滑块的质量M，在实验时，认为滑块所受合外力等于钩码的重力，为了尽量减小实验误差，应满足条件mM；乙同学所做实验中，力传感器测出的力就是细线对滑块的真实拉力(设为FT，可直接读出)，则有-10-FTMa，所以需要记录传感器的读数和测量滑块的质量M。(4)力传感器测出的力就是细
19、线对滑块的真实拉力，不存在系统误差，无需满足滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量；测量距离时，适当增大测量距离可以减小测量误差；实验时要满足气垫导轨水平且细线与导轨平行。答案：(1)在不挂钩码时，滑块能在任意位置静止不动(2)A位置与光电门间的距离L(3)所挂钩码的质量m和滑块的质量M mM 传感器的读数和滑块的质量M(4)A 变式 4 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(如图所示)、小车、计时器一个、米尺。填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响)；(1)让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始
20、下滑至斜面底端A2，记下所用的时间t。(2)用米尺测量A1与A2之间的距离x，则小车的加速度a_。(3)用米尺测量A1相对于A2的高度h，设小车所受重力为mg，则小车所受合外力F_。(4)改变 _，重复上述测量。解析：(2)由x12at2可得：a2xt2。(3)sin hx，不计摩擦力时，小车的合外力 Fmgsin mghx；(4)小车的质量不变，要改变小车所受的合外力F重做上述实验时，只要改变斜面的倾角(或A1、A2两点间的高度h的数值)即可。答案：(2)2xt2(3)mghx(4)斜面倾角或A1、A2两点间的高度h 考法 实验拓展测动摩擦因数 如图甲所示，某同学设计了一个测量滑块与木板间的
21、动摩擦因数的实验装置，装有定滑轮的长木板固定在水平实验台上，木板上有一滑块，滑块右端固定一个动滑轮，钩码和弹簧测力计通过绕在滑轮上的轻绳相连，放开钩码，滑块在长木板上做匀加速直线运动。-11-甲(1)实验得到一条如图乙所示的纸带，相邻两计数点之间的时间间隔为 0.1 s，由图中的数据可知，滑块运动的加速度大小是_m/s2。(计算结果保留两位有效数字)乙(2)读出弹簧测力计的示数F，处理纸带，得到滑块运动的加速度a；改变钩码个数，重复实验。以弹簧测力计的示数F为纵坐标，以加速度a为横坐标，得到的图象是纵轴截距为b的一条倾斜直线，如图丙所示。已知滑块和动滑轮的总质量为m，重力加速度为g，忽略滑轮与
22、绳之间的摩擦。则滑块和木板之间的动摩擦因数_。丙 解析：(1)加速度axBDxOB4T20.1920.096 140.01 m/s2 2.4 m/s2(2)滑块受到的拉力FT为弹簧测力计示数的两倍，即：FT2F 滑块受到的摩擦力为：Ffmg 由牛顿第二定律可得：FTFfma 解得力F与加速度a的函数关系式为：Fm2amg2 由图象所给信息可得图象截距为：bmg2 解得：2bmg。答案：(1)2.4(2)2bmg 变式 5 物理小组在一次探究实验中测量滑块与木板之间的动摩擦因数。实验装置如图-12-甲所示，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与过打点计时器的纸
23、带相连，另一端通过细线跨过定滑轮与托盘连接。打点计时器使用的交流电源的频率为 50 Hz，开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列点，重力加速度大小为g。(1)图乙给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7 是计数点，每相邻两计数点之间还有 4 个点(图中未标出)，计数点之间的距离如图乙所示，根据图中数据计算加速度大小a_m/s2(结果保留两位有效数字)。(2)为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有_。(填入所选物理量前的字母)A木板的长度l B木板的质量m1 C滑块的质量m2 D托盘和砝码的总质量m3 E滑块运动的时间t 测量中
24、所选定的物理量时需要的实验器材是_。(3)滑块与木板之间的动摩擦因数_(用所测物理量和重力加速度g的字母表示)，与真实值相比，测量出的动摩擦因数_(填“偏大”或“偏小”)。解析：(1)每相邻两计数点之间还有 4 个未画出的点，说明打下图乙所示的相邻的计数点的时间间隔T0.1 s，根据逐差法有ax6x33T20.49 m/s2。(2)由FfFN可知要求，需要知道摩擦力和压力的大小，因压力的大小等于滑块的重力大小，所以需要知道滑块的质量，摩擦力要根据滑块的运动来求得，滑块做的是匀加速运动，拉滑块运动的拉力是托盘和砝码的重力提供的，即也要知道托盘和砝码的质量，故 C、D 正确。测量这两个物理量的仪器
25、为天平。(3)根据牛顿第二定律有m3gFTm3a，FTFfm2a，联立解得m3gFf(m2m3)a，又Ffm2g，联立以上两式解得m3gm2m3am2g；根据牛顿第二定律列方程的过程中，考虑了滑块和木板之间的摩擦，但没有考虑细线和定滑轮之间的摩擦以及空气阻力等，导致动摩-13-擦因数的测量值会偏大。答案：(1)0.49(2)CD 天平(3)m3gm2m3am2g 偏大 1(2015全国卷20)本题源于人教版必修 1P77“科学漫步”(多选)在一东西向的水平直铁轨上，停放着一列已用挂钩连接好的车厢。当机车在东边拉着这列车厢以大小为a的加速度向东行驶时，连接某两相邻车厢的挂钩P和Q间的拉力大小为F
26、；当机车在西边拉着车厢以大小为23a的加速度向西行驶时，P和Q间的拉力大小仍为F。不计车厢与铁轨间的摩擦，每节车厢质量相同，则这列车厢的节数可能为()A8 B.10 C15 D.18 BC 如图所示，假设挂钩P，Q东边有x节车厢，西边有y节车厢，每节车厢质量为m。当向东行驶时，以y节车厢为研究对象，则有Fmya；当向西行驶时，以x节车厢为研究对象，则有F23mxa，联立两式有y23x。可见，列车总节数Nxy53x，设x3n(n1,2,3)，则N5n(n1,2,3)，故可知选项 B、C 正确。科学漫步 图 4.34 测量质量m2 用动力学方法测质量 大家都知道，质量可以用天平来测量。可是在宇宙空
27、间，怎样测质量？设想，你自己就是一艘带有喷气发动机的飞船，你用力推一个质量未知的物体，当用力一定时，它的质量越大，产生的加速度就越小知道了所用的力和物体的加速度，根据牛顿第二定律就能得出物体的质量了。这就是动力学的方法。2(2019北京卷24 第(1)(2)问)本题源于人教版必修 1P60“科学漫步”雨滴落到地面的速度通常仅为几米每秒，这与雨滴下落过程中受到空气阻力有关。雨滴间无相互作用且雨滴质量不变，重力加速度为g。(1)质量为m的雨滴由静止开始，下落高度h时速度为u，求这一过程中克服空气阻力所-14-做的功W。(2)将雨滴看作半径为r的球体，设其竖直落向地面的过程中所受空气阻力F阻kr2v
28、2，其中v是雨滴的速度，k是比例系数。a设雨滴的密度为，推导雨滴下落趋近的最大速度vm与半径r的关系式；b示意图中画出了半径为r1、r2(r1r2)的雨滴在空气中无初速下落的v t图线，其中_对应半径为r1的雨滴(选填、)；若不计空气阻力，请在图中画出雨滴无初速下落的v t图线。解析：(1)根据动能定理mghW12mu2 可得Wmgh12mu2(2)a.根据牛顿第二定律mgF阻ma 得agkr2v2m 当加速度为零时，雨滴趋近于最大速度vm 雨滴质量m43r3 由a0，可得，雨滴最大速度vm 4g3kr b 如图 答案：(1)mgh12mu2(2)a.vm4g3kr B.图见解析 科学漫步 流体的阻力 -15-流体的阻力跟物体相对于流体的速度有关，速度越大，阻力越大。雨滴在空气中下落，速度越来越大，所受空气阻力也越来越大。当阻力增加到跟雨滴所受的重力相等时，二力平衡，雨滴匀速下落。大雨滴比较重，与重力相平衡的空气阻力要比较大，雨滴速度较大时才能达到平衡。所以大雨滴落地时速度较大，“毛毛细雨”则缓慢地飘落到地面。