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1、2020新亮剑高考总复习,第三单元,牛顿运动定律,实验4 验证牛顿第二定律,磨剑：课前自学,悟剑：课堂精讲,实验回顾,实验目的 1.学会用控制变量法探究物理规律。 2.全面正确地认识加速度与力、质量的关系。 实验原理 研究加速度a与质量M、外力F之间的关系时,先保持质量不变,测量物体在不同的力的作用下的加速度,分析加速度与力的关系;再保持物体所受的力相同,测量不同质量的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系。这种先控制某些参量不变,研究某两个参量之间变化关系的方法叫作控制变量法。,实验器材 打点计时器、纸带及复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘和砝码、细绳、交流电源、导线、天
2、平、刻度尺。 实验步骤 1.用天平测出小车的质量和小盘中砝码的质量,分别为M、m0,并把数值记录下来。 2.按图示将实验器材安装好(小车上不系绳)。,3.在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,以平衡摩擦力。 4.将小盘通过细绳系在小车上,接通电源放开小车,用纸带记录小车的运动情况;取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘的重力m0g。 5.保持小车的质量不变,改变小盘中砝码的质量,重复步骤4多做几次实验。每次小车应从同一位置释放,并记录好相应纸带。 6.保持小车所受合力不变,在小车上加砝码,并测出小车和放上砝码后的总质量M1,接通电源放开小车,用纸带记录小车的运动情况,取下纸带并在纸带上标上号码
3、。 7.继续在小车上加放砝码,重复步骤6,多做几次实验,在每次得到的纸带上标上号码。,数据处理 1.保持小车质量不变时,计算各次小盘和砝码的重力(作为小车的合力)及对应纸带的加速度,填入表(一)中。,表(一),2.保持小盘内的砝码个数不变时,计算各次小车和砝码的总质量及对应纸带的加速度,填入表(二)中。,表(二),平衡摩擦力法,控制变量法,近似法,图象法,化曲为直法,2.图甲为某同学设计的“探究加速度与小车所受合力F及质量m的关系”的实验装置简图,A为小车,B为电火花计时器,C为装有砝码的小桶,D为一端带有定滑轮的长木板。在实验中可认为细线对小车的拉力F大小等于砝码和小桶的总重力,小车运动的加
4、速度a可用纸带上的点求得。,甲,ABD,0.50,(1)关于该实验,下列说法中正确的是 。 A.用砝码和小桶的总重力来表示F,对实验结果会产生误差 B.为消除摩擦力对实验的影响,可以把长木板D的左端适当垫高 C.使用电火花计时器时先使纸带运动,再接通电源 D.长木板D的左端被垫高后,图中细线应保持与长木板的表面平行,(2)实验中获取的一条纸带的一部分如图乙所示,其中0、1、2、3、4是计数点,每相邻两计数点间还有4个计时点(图中未标出),计数点间的距离已标在图中,由纸带求出小车的加速度a= m/s2(结果保留2位有效数字)。,乙,利用上表数据,在图丙所示的坐标纸上选择合适物理量为坐标轴建立坐标
5、系,作出直观反映a与M关系的图线。从图线可得到的结论是 。,在合外力一定的情况下,小车的加速度与小车的质量成反比小,(3)在“探究加速度与质量的关系”时,保持砝码和小桶质量不变,改变小车质量M,分别测得小车的加速度a与对应的质量M,数据如下表:,丙,(3)如图丁所示,结论:在合外力一定的情况下,小车的加速度与小车的质量成反比。,丁,一 实验数据的处理方法图象法,化曲为直的方法,例1,某物理课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合力之间的关系。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,轻绳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N
6、=5个,每个质量均为0.010 kg。,甲,0.39(0.370.40均可),实验步骤如下: (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n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n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s-t图象,经数据处理后可得到相应的加速度a。 (3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图乙所示。由图乙求出此时小车的加速度(结果保留2位有效数字),将结果填入下表。,(5)利用a-n图象求
7、得小车(空载)的质量为 kg(结果保留2位有效数字,重力加速度取g=9.8 m/s2)。 (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.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大,0.45(0.450.49),(4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点,并作出a-n图象。从图象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合力成正比。,乙,丙,BC,丁,二 误差分析与注意事项,1.误差分析,2.注意事项 (1)打点前小车应靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车。 (2)在平衡摩擦力时
8、,不要悬挂小桶,但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。 (3)改变砂的质量的过程中,要始终保证砂和小桶的质量远小于小车的质量。 (4)作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能地对称分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。,例2,1.18,1.50,“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,回答下列问题:,(1)实验中在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带。纸带上A、B、C、D、E、F、G这些点的间距如图丙所示,其中每相邻两点间还
9、有4个计时点未画出。根据测量结果计算:打C点时纸带的速度大小为 m/s;纸带运动的加速度大小为 m/s2。(结果保留3位有效数字),甲,乙,丙,未计入砝码盘的重力,D,丁,三 实验的改进与创新,以实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器来设置题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现开放性、探究性、设计性等特点。,视角1 实验器材的改进,气垫导轨(不用平衡摩擦力),长木板,视角2 数据测量的改进,通过打点纸带求加速度,视角3 实验的拓展延伸,以“验证牛顿运动定律”为背景测量物块与木板间的阻力或动摩擦因数。,例3,B,0.255,大于,某同学利用图甲装置测定滑块与桌面间的动摩擦因数。实验中,钩码通过轻
10、绳拉着滑块在水平桌面上做直线运动,钩码着地后滑块继续运动,打点计时器在纸带上打下一系列的点。取钩码着地后滑块继续运动过程中对应的一段纸带,用刻度尺测出纸带上部分相邻计时点的间距如图乙所示。已知所用交流电源频率为50 Hz,当地的重力加速度为9.80 m/s2。回答下列问题:,甲,乙,(1)打点时纸带的 (选填“A”或“B”)端靠近滑块。 (2)滑块与桌面间的动摩擦因数为 。(结果保留3位有效数字) (3)由实验测定的动摩擦因数 (选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。,(1)若用此装置来验证牛顿第二定律,通过 ,验证质量一定时,加速度与力成正比的关系;通过 ,可验证力一定时,加速度与质量成反
11、比的关系(重力加速度g的值不变)。 (2)现给滑块A沿气垫导轨向上的初速度,其v-t图线如图乙所示,从图线可得滑块A下滑时的加速度大小a= m/s2(结果保留1位有效数字)。,例4,改变高度h,4,如图甲所示,质量为m的滑块A放在气垫导轨上,B为位移传感器,它能将滑块A到传感器B的距离数据实时传送到计算机上,经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的速率时间(v-t)图象,整个装置置于高度h可调节的斜面上,斜面长度为l。,甲,乙,例5,某实验小组用图甲所示的实验装置测量滑块与长木板之间的动摩擦因数。在一端装有定滑轮的长木板上固定A、B两个光电门,与光电门相连的计时器能显示滑块上的遮光片通过光电门时的遮
12、光时间,滑块通过绕过定滑轮的轻质细绳与测力计挂钩相连,测力计下吊着砂桶,测力计能显示挂钩所受的拉力,滑块对长木板的压力与滑块的重力大小相等,已知遮光片宽度为d,当地的重力加速度为g。,(1)为了满足实验的要求,下列操作必要的是 。 A.长木板应放在水平桌面上 B.长木板没有定滑轮的一端应适当垫高,以平衡摩擦力 C.砂桶及测力计的总质量应远小于滑块的质量 D.定滑轮与滑块之间的细绳应与长木板平行 (2)甲同学测出A、B两光电门之间的距离为L,滑块通过A、B两光电门的时间分别为t1、t2,滑块的加速度大小a= (用字母L、d、t1、t2表示)。 (3)多次改变砂桶里砂的质量,重复步骤(2),根据测得的多组F和a,作出a-F图象如图乙所示,由图象可知,滑块的质量为 ,滑块与长木板间的动摩擦因数为 。,AD,