高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第三章 實(shí)驗(yàn)四 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

高考物理大一輪復(fù)習(xí)第三章實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律課件第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1.學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律。知識(shí)梳理2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。3.掌握靈活運(yùn)用圖象處理問(wèn)題的方法。[實(shí)驗(yàn)原理]控制變量法:在所研究的問(wèn)題中,有兩個(gè)以上的參量在發(fā)生牽連變化時(shí),可

以控制某個(gè)或某些量不變,只研究其中兩個(gè)量之間的變化關(guān)系的方法。這

也是物理學(xué)中研究問(wèn)題時(shí)經(jīng)常采用的方法。本實(shí)驗(yàn)中,研究的參量為F、m和a,可以控制參量m不變,研究F與a的關(guān)系,也

可控制參量F不變,研究m與a的關(guān)系。第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日[實(shí)驗(yàn)步驟]如圖所示

[實(shí)驗(yàn)器材]打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,紙帶及復(fù)寫(xiě)紙,小車(chē),一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板,小盤(pán)和砝碼,細(xì)

繩,低壓交流電源,導(dǎo)線(xiàn),天平,刻度尺。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1.用天平測(cè)量小盤(pán)的質(zhì)量m0和小車(chē)的質(zhì)量M0。2.把一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板放在實(shí)驗(yàn)桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點(diǎn)計(jì)

時(shí)器固定在長(zhǎng)木板上遠(yuǎn)離滑輪的一端,連接好電路。3.平衡摩擦力:小車(chē)的尾部掛上紙帶,紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔,將木板

無(wú)滑輪的一端稍微墊高一些,使小車(chē)在不掛小盤(pán)和砝碼的情況下,能沿木板

做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這樣小車(chē)所受重力沿木板的分力與小車(chē)所受的滑動(dòng)摩

擦力平衡。在保證小盤(pán)和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件下,可以近似

認(rèn)為小盤(pán)和砝碼的總重力的大小等于小車(chē)所受的合外力的大小。第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.把小車(chē)停在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處,掛上小盤(pán)和砝碼,先接通電源,再讓小車(chē)拖著紙

帶在木板上做勻加速運(yùn)動(dòng),打出一條紙帶。計(jì)算小盤(pán)和砝碼的總重力,即為

小車(chē)所受的合外力,由紙帶計(jì)算出小車(chē)的加速度,并把力和對(duì)應(yīng)的加速度填

入表(一)中。5.改變小盤(pán)內(nèi)砝碼的個(gè)數(shù),重復(fù)步驟4,并多做幾次。6.保持小盤(pán)內(nèi)的砝碼個(gè)數(shù)不變,在小車(chē)上放上砝碼改變小車(chē)的質(zhì)量,讓小車(chē)

在木板上滑動(dòng)打出紙帶,計(jì)算砝碼和小車(chē)的總質(zhì)量M,并由紙帶計(jì)算出小車(chē)

對(duì)應(yīng)的加速度。第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日7.改變小車(chē)上砝碼的個(gè)數(shù),重復(fù)步驟6,并將所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表

(二)中。表(一)實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m·s-2)小車(chē)受力F/N1

2

3

4

第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日表(二)實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m·s-2)小車(chē)和砝碼總質(zhì)量M/kg1

2

3

4

第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1.需要計(jì)算各種情況下所對(duì)應(yīng)的小車(chē)的加速度,可使用“研究勻變速直線(xiàn)

運(yùn)動(dòng)”的方法:先在紙帶上標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn),測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離,根據(jù)公式a

=

計(jì)算加速度。[數(shù)據(jù)處理]2.需要記錄各組對(duì)應(yīng)的加速度a與小車(chē)所受牽引力F,然后建立直角坐標(biāo)系,

用縱坐標(biāo)表示加速度a,橫坐標(biāo)表示牽引力F,描點(diǎn)畫(huà)a-F圖象,如果圖象是一

條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn),便證明在質(zhì)量一定時(shí),加速度與作用力成正比。再記錄各

組對(duì)應(yīng)的加速度a與小車(chē)和砝碼總質(zhì)量M,然后建立直角坐標(biāo)系,用縱坐標(biāo)

表示加速度a,橫坐標(biāo)表示總質(zhì)量的倒數(shù)

,描點(diǎn)畫(huà)a-

圖象,如果圖象是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn),就證明了在合外力一定時(shí),加速度與質(zhì)量成反比。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日[誤差分析]1.質(zhì)量的測(cè)量誤差,紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測(cè)量誤差,細(xì)繩或紙

帶不與木板平行等都會(huì)造成誤差。2.因?qū)嶒?yàn)原理不完善造成誤差:本實(shí)驗(yàn)中用小盤(pán)和砝碼的總重力代替小車(chē)

受到的拉力(實(shí)際上小車(chē)受到的拉力要小于小盤(pán)和砝碼的總重力),存在系

統(tǒng)誤差。小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量越接近小車(chē)的質(zhì)量,誤差就越大;反之,小盤(pán)

和砝碼的總質(zhì)量越小于小車(chē)的質(zhì)量,誤差就越小。3.平衡摩擦力不準(zhǔn)造成誤差:在平衡摩擦力時(shí),除了不掛小盤(pán)外,其他的都跟

正式實(shí)驗(yàn)一樣(比如要掛好紙帶、接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器),勻速運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志是打

點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上各點(diǎn)的距離相等。第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日[注意事項(xiàng)]1.在平衡摩擦力時(shí),不要把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上,即不要給小車(chē)加任

何牽引力,并要讓小車(chē)拖著打點(diǎn)的紙帶運(yùn)動(dòng)。2.實(shí)驗(yàn)步驟2、3不需要重復(fù),即整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后,不管以后是改變

小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車(chē)和砝碼的總質(zhì)量,都不需要重新平衡摩

擦力。3.每條紙帶必須在滿(mǎn)足小車(chē)與車(chē)上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤(pán)和砝碼

的總質(zhì)量的條件下打出。只有如此,小盤(pán)和砝碼的總重力才可視為小車(chē)受

到的拉力。4.改變拉力和小車(chē)質(zhì)量后,每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并應(yīng)先

接通電源,再放開(kāi)小車(chē),且應(yīng)在小車(chē)到達(dá)滑輪前按住小車(chē)。第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日5.作圖象時(shí),要使盡可能多的點(diǎn)落在所作直線(xiàn)上,不在直線(xiàn)上的點(diǎn)應(yīng)盡可能

對(duì)稱(chēng)分布在所作直線(xiàn)兩側(cè)。6.作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要選擇適當(dāng),各量須采用國(guó)際單位。這樣作圖線(xiàn)時(shí),

坐標(biāo)點(diǎn)間距不至于過(guò)密,誤差會(huì)小些。7.為提高測(cè)量精度(1)應(yīng)舍掉紙帶上開(kāi)頭比較密集的點(diǎn),在后邊便于測(cè)量的地方找一個(gè)起點(diǎn)。(2)可以把每打五次點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間單位,即從開(kāi)始點(diǎn)起,每五個(gè)點(diǎn)標(biāo)出一

個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),而相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén)=0.1s。第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1.在利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車(chē)來(lái)做“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí),下列說(shuō)

法中錯(cuò)誤的是

(

)A.平衡摩擦力時(shí),應(yīng)將砝碼盤(pán)及盤(pán)內(nèi)砝碼通過(guò)細(xì)繩拴在小車(chē)上B.連接砝碼盤(pán)和小車(chē)的細(xì)繩應(yīng)跟長(zhǎng)木板保持平行C.平衡摩擦力后,長(zhǎng)木板的位置不能移動(dòng)D.小車(chē)釋放前應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,且應(yīng)先接通電源再釋放小車(chē)

答案

A本題考查實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng),選項(xiàng)A中平衡摩擦力時(shí),不能將砝碼盤(pán)及盤(pán)內(nèi)砝碼通過(guò)細(xì)繩拴在小車(chē)上,A錯(cuò);選項(xiàng)B、C、D符合正確的操作方法,B、C、D對(duì)。第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2.如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律,小車(chē)上固定一個(gè)盒子,盒子

內(nèi)盛有沙子,沙桶的總質(zhì)量(包括桶以及桶內(nèi)沙子質(zhì)量)記為m,小車(chē)的總質(zhì)

量(包括小車(chē)、盒子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量)記為M。

(1)驗(yàn)證在質(zhì)量不變的情況下,加速度與合外力成正比:從盒子中取出一些沙子,裝入沙桶中,稱(chēng)量并記錄沙桶的總重力mg,將該力視為合外力F,對(duì)應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶上計(jì)算得出。多次改變合外力F的大小,每次都會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)的加速度。本次實(shí)驗(yàn)中,桶內(nèi)的沙子取自小車(chē)中,故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變。以合外力F為橫軸,以加速度a為縱軸,畫(huà)出a-F圖象,圖象是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日①a-F圖線(xiàn)斜率的物理意義是

。②你認(rèn)為把沙桶的總重力mg當(dāng)做合外力F是否合理?答:

。(填“合理”或“不合理”)③本次實(shí)驗(yàn)中,是否應(yīng)該滿(mǎn)足M?m這樣的條件?答:

(填“是”或“否”);理由是

。(2)驗(yàn)證在合外力不變的情況下,加速度與質(zhì)量成反比:保持桶內(nèi)沙子質(zhì)量m不變,在盒子內(nèi)添加或去掉一些沙子,驗(yàn)證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)

中,桶內(nèi)的沙子總質(zhì)量不變,故系統(tǒng)所受的合外力不變。用圖象法處理數(shù)據(jù)時(shí),以加速度a為縱軸,應(yīng)該以

的倒數(shù)為橫軸。第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

答案

(1)①

②合理③否因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)受到的合外力就等于mg

(2)M+m

解析

(1)將車(chē)內(nèi)的沙子轉(zhuǎn)移到桶中,就保證了M+m不變,即系統(tǒng)的總質(zhì)量不變,研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng),a=

=

,可見(jiàn)a-F圖線(xiàn)斜率的物理意義是

,系統(tǒng)所受的合外力就等于所懸掛沙桶的總重力mg,不必滿(mǎn)足M?m這樣的條件。(2)向盒子內(nèi)添加或去掉部分沙子,是改變系統(tǒng)的總質(zhì)量M+m,而系統(tǒng)的合

外力仍等于所懸掛沙桶的總重力mg,保證了合外力不變。第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3.為了探究加速度與力的關(guān)系,使用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

其中G1、G2為兩個(gè)光電門(mén),它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連,當(dāng)滑行器通過(guò)G1、G2光

電門(mén)時(shí),光束被遮擋的時(shí)間Δt1、Δt2都可以被測(cè)量并記錄,滑行器連同上面

固定的一條形擋光片的總質(zhì)量為M,擋光片寬度為D,光電門(mén)間距離為x,牽

引砝碼的質(zhì)量為m?；卮鹣铝袉?wèn)題:(1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘,使氣墊導(dǎo)軌水平,在不增加其第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日他儀器的情況下,如何判定調(diào)節(jié)是否到位?答:

。(2)若取M=0.4kg,改變m的值,進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),以下m的取值不合適的一個(gè)是

。A.m1=5gB.m2=15gC.m3=40gD.m4=400g(3)在此實(shí)驗(yàn)中,需要測(cè)得每一個(gè)牽引力對(duì)應(yīng)的加速度,其中求得的加速度的

表達(dá)式為:

。(用Δt1、Δt2、D、x表示)第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日推滑行器,數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄每一個(gè)光電門(mén)的光束被擋的時(shí)間Δt都相等

(2)

D

(3)a=

解析

(1)如果氣墊導(dǎo)軌水平,則不掛砝碼時(shí),滑行器應(yīng)能在任意位置靜止不動(dòng),或推動(dòng)滑行器后能使滑行器勻速運(yùn)動(dòng)。(2)應(yīng)滿(mǎn)足M?m,故m4=400g不合適。(3)由v1=

,v2=

,

-

=2ax可得:a=

。

答案

(1)取下?tīng)恳来a,滑行器放在任意位置都不動(dòng);或取下?tīng)恳来a,輕第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.如圖為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī))探究加速度和力的

關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。(1)在該實(shí)驗(yàn)中必須采用控制變量法,應(yīng)保持

不變,用鉤碼所受的重

力作為

,用DIS測(cè)小車(chē)的加速度。(2)改變所掛鉤碼的數(shù)量,多次重復(fù)測(cè)量。在某次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)得的多組數(shù)

據(jù)可畫(huà)出a-F關(guān)系圖線(xiàn)(如圖所示)。第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

①分析此圖線(xiàn)的OA段可得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是

。②此圖線(xiàn)的AB段明顯偏離直線(xiàn),造成此誤差的主要原因是

。A.小車(chē)與軌道之間存在摩擦

B.導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài)C.所掛鉤碼的總質(zhì)量太大

D.所用小車(chē)的質(zhì)量太大第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

答案

(1)小車(chē)的總質(zhì)量小車(chē)所受合外力(2)①在質(zhì)量不變的條件下,加速度與合外力成正比②C

解析

(1)因?yàn)橐骄俊凹铀俣群土Φ年P(guān)系”,所以應(yīng)保持小車(chē)的總質(zhì)量不變,鉤碼所受的重力作為小車(chē)所受合外力。(2)由于OA段a-F關(guān)系圖線(xiàn)為一傾斜的直線(xiàn),所以在質(zhì)量不變的條件下,加速

度與合外力成正比;AB段明顯偏離直線(xiàn)是由于沒(méi)有滿(mǎn)足M?m造成的。第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日典例1在探究加速度與物體所受合外力和質(zhì)量間的關(guān)系時(shí),采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置,小車(chē)及車(chē)中的砝碼質(zhì)量用M表示,盤(pán)及盤(pán)中的砝碼質(zhì)量用m表示,小車(chē)的加速度可由小車(chē)后拖動(dòng)的紙帶上由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的點(diǎn)計(jì)算出:一、實(shí)驗(yàn)原理、步驟重難突破(1)當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿(mǎn)足

時(shí),才可以認(rèn)為細(xì)線(xiàn)對(duì)小車(chē)的拉力大

小等于盤(pán)和盤(pán)中砝碼的重力。第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日B.每次改變小車(chē)的質(zhì)量時(shí),不需要重新平衡摩擦力C.實(shí)驗(yàn)時(shí),先放開(kāi)小車(chē),再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源D.小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度可用天平測(cè)出m和M,直接用公式a=mg/M求出(3)在保持小車(chē)及車(chē)中的砝碼質(zhì)量M一定,探究加速度與所受合外力的關(guān)系

時(shí),由于平衡摩擦力時(shí)操作不當(dāng),兩位同學(xué)得到的a-F關(guān)系分別如圖中甲、

乙所示(a是小車(chē)的加速度,F是細(xì)線(xiàn)作用于小車(chē)的拉力)。(2)一組同學(xué)在保持盤(pán)及盤(pán)中的砝碼質(zhì)量一定的情況下,探究加速度與小車(chē)

質(zhì)量的關(guān)系,以下做法正確的是

(

)A.平衡摩擦力時(shí),應(yīng)將盤(pán)及盤(pán)中的砝碼用細(xì)線(xiàn)繞過(guò)定滑輪系在小車(chē)上其原因分別是:甲圖:

;乙圖:

。第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

解析

(1)對(duì)盤(pán)及盤(pán)中砝碼:mg-T=ma;對(duì)小車(chē):T=Ma,聯(lián)立可得:a=

,T=

mg,只有當(dāng)m?M時(shí),才可認(rèn)為T(mén)≈mg。(2)平衡摩擦力時(shí),先去掉盤(pán)、盤(pán)中砝碼和細(xì)線(xiàn),只讓小車(chē)在重力沿斜面方向

的分力作用下向左運(yùn)動(dòng),當(dāng)小車(chē)能勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),重力沿斜面方向的分力和摩

擦力平衡,A不正確;調(diào)好后,當(dāng)再次改變小車(chē)質(zhì)量時(shí),無(wú)需再平衡摩擦力,B正

確;實(shí)驗(yàn)時(shí),要先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作,再釋放小

車(chē),C不正確;小車(chē)的加速度是通過(guò)處理紙帶確定的,D不正確。(3)由甲圖可看出F=0時(shí),a≠0,說(shuō)明木板的傾角過(guò)大,重力沿斜面方向的分力

大于摩擦力。由乙圖可看出,只有當(dāng)F達(dá)到一定值時(shí),才會(huì)有加速度,說(shuō)明平

衡摩擦力不足或未平衡摩擦力。

答案

(1)m?M

(2)B

(3)木板的傾角過(guò)大沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日甲二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及誤差分析典例2某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)探究加速度與物體所受合外力F及質(zhì)量m的關(guān)

系實(shí)驗(yàn)。如圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖,A為小車(chē),B為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,C為裝有砂的砂

桶,D為一端帶有定滑輪的長(zhǎng)方體木板,實(shí)驗(yàn)中如果小車(chē)和小車(chē)上的砝碼的

總質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的總質(zhì)量,可認(rèn)為細(xì)線(xiàn)對(duì)小車(chē)的拉力大小F等于砂

和砂桶的總重力,小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度a可用紙帶上的點(diǎn)求得。乙第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日(1)圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶(