高中物理實驗四《驗證牛頓運動定律》課件（教科版）選修3-1

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歡迎進入物理課堂 實驗四驗證牛頓運動定律 1 學會用控制變量法研究物理規(guī)律 2 驗證牛頓第二定律 3 掌握利用圖像處理數據的方法 探究加速度a與力F及質量M的關系時 應用的基本方法是控制變量法 即先控制一個參量 小車的質量M不變 探究加速度a與力F的關系 再控制小盤和砝碼的質量不變 即力F不變 探究加速度a與小車質量M的關系 打點計時器 紙帶 復寫紙 小車 一端附有定滑輪的長木板 小盤 夾子 細繩 低壓交流電源 導線 天平 刻度尺 砝碼 薄木塊 一 實驗步驟1 用天平測量小盤的質量m0和小車的質量M0 2 按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好 只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上 即不給小車牽引力 3 平衡摩擦力 在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊 反復移動薄木塊的位置 直至小車在斜面上運動時可以保持勻速運動狀態(tài) 這時小車拖著紙帶運動時受到的摩擦力恰好與小車所受重力在斜面方向上的分力平衡 4 把細繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛小盤 小盤里放砝碼 先接通電源再放開小車 打點計時器在紙帶上打下一系列的點 計算小盤和砝碼的重力 在小盤和砝碼的質量遠小于小車質量的條件下 可以認為等于小車所受的合外力 由紙帶計算出小車的加速度 并把力和對應的加速度填入表 一 中 5 改變小盤內砝碼的個數 重復步驟4 并多做幾次 6 保持小盤內的砝碼個數不變 在小車上放上砝碼改變小車的質量 讓小車在木板上滑動打出紙帶 計算砝碼和小車的總質量M 并由紙帶計算出小車對應的加速度 7 改變小車上砝碼的個數 重復步驟6 并將所對應的質量和加速度填入表 二 中 表 一 表 二 二 數據處理1 需要計算各種情況下所對應的小車的加速度 可使用 研究勻變速直線運動 的方法 先在紙帶上標明計數點 測量各計數點間的距離 根據逐差法計算各條紙帶對應的加速度 2 需要記錄各組對應的加速度a與小車所受牽引力F 然后建立直角坐標系 用縱坐標表示加速度a 橫坐標表示作用力F 描點畫a F圖像 如果圖像是一條過原點的傾斜直線 便證明加速度與作用力成正比 再記錄各組對應的加速度a與小車和砝碼總質量M 然后建立直角坐標系 用縱坐標表示加速度a 橫坐標表示總質量的倒數 描點畫a 圖像 如果圖像是一條過原點的傾斜直線 就證明了加速度與質量成反比 1 因實驗原理不完善引起的誤差以小車 小盤和砝碼整體為研究對象得mg M m a 以小車為研究對象得F Ma 求得本實驗用小盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力 而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力 小盤和砝碼的總質量越小于小車的質量 由此引起的誤差就越小 因此 滿足小盤和砝碼的總質量遠小于小車的質量的目的就是減小因實驗原理不完善而引起的誤差 2 摩擦力平衡不準確造成誤差 在平衡摩擦力時 除了不掛小盤外 其他的均與正式實驗一樣 比如要掛好紙帶 接通打點計時器 勻速運動的標志是打點計時器打出的紙帶上各相鄰兩點間的距離相等 3 質量的測量誤差 紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差 細繩或紙帶不與木板平行等都會引起誤差 1 在平衡摩擦力時 不要把懸掛小盤的細繩系在小車上 即不要給小車加任何牽引力 并要讓小車拖著紙帶勻速運動 2 整個實驗平衡了摩擦力后 不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量 都不需要重新平衡摩擦力 3 每條紙帶都必須在滿足小車的質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出 只有如此 小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力 4 改變拉力和小車質量后 每次開始時小車應盡量靠近打點計時器 并應先接通電源 再放開小車 且應在小車到達定滑輪前按住小車 5 作圖像時 要使盡可能多的點在所作直線上 不在直線上的點應盡可能對稱地分布在所作直線兩側 6 作圖時兩軸標度比例要適當 各量須采用國際單位 這樣作圖線時 坐標點間距不至于過密 誤差會小些 7 為提高測量精度 1 應舍掉紙帶上開頭比較密集的點 在后邊便于測量的地方找一個起點 2 可以把每打五次點的時間作為時間單位 即從開始點起 每五個點標出一個計數點 則相鄰計數點間的時間間隔為T 0 1s 本實驗中可以用氣墊導軌來代替長木板 這樣就省去了平衡小車摩擦力的麻煩 小車的加速度也可以利用傳感器 借助于計算機來處理 實驗原理和實驗器材的分析 例證1 2011 浙江高考 在 探究加速度與力 質量的關系 實驗時 已提供了小車 一端附有定滑輪的長木板 紙帶 帶小盤的細線 刻度尺 天平 導線 為了完成實驗 還須從圖中選取實驗器材 其名稱是 并分別寫出所選器材的作用 規(guī)范解答 為測量小車的加速度 需記錄小車運動的位置和時間 這可利用打點計時器和紙帶完成 所以 實驗中應有打點計時器 實驗中需要改變小車的質量 這可通過在小車上添加鉤碼來實現 所以實驗中應有鉤碼 實驗中還需要改變小車所受拉力的大小 這可通過改變盤中的砝碼的數目來改變 所以實驗中應有砝碼 學生電源為電磁打點計時器提供交流電源 電磁打點計時器 電火花計時器 記錄小車運動的位置和時間 鉤碼用以改變小車的質量 砝碼用以改變小車受到的拉力的大小 還可用于測量小車的質量 答案 學生電源 電磁打點計時器 鉤碼 砝碼 或電火花計時器 鉤碼 砝碼 見規(guī)范解答 實驗原理和實驗數據的處理 例證2 2012 德州模擬 某組同學設計了 探究加速度a與物體所受合力F及質量m的關系 實驗 圖甲為實驗裝置簡圖 A為小車 B為電火花計時器 C為裝有細砂的小桶 D為一端帶有定滑輪的長方形木板 實驗中認為細繩對小車的拉力F等于細砂和小桶的總重量 小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得 1 圖乙為某次實驗得到的紙帶 已知實驗所用電源的頻率為50Hz 根據紙帶可求出電火花計時器打B點時的速度為 m s 小車的加速度大小為 m s2 結果均保留兩位有效數字 2 在 探究加速度a與質量m的關系 時 某同學按照自己的方案將實驗數據在坐標系中進行了標注 但尚未完成圖像 如圖所示 請繼續(xù)幫助該同學作出坐標系中的圖像 3 在 探究加速度a與合力F的關系 時 該同學根據實驗數據作出了加速度a與合力F的圖線如圖丙 該圖線不通過坐標原點 試分析圖線不通過坐標原點的原因 答 規(guī)范解答 1 AC這段位移的平均速度等于AC這段時間中間時刻的瞬時速度 即B點的瞬時速度 故vB 1 6m s 由逐差法求解小車的加速度 2 將坐標系中各點連成一條直線 連接時應使直線過盡可能多的點 不在直線上的點應大致對稱地分布在直線的兩側 離直線較遠的點應視為錯誤數據 不予考慮 連線如圖所示 3 圖線與橫軸有截距 說明實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 答案 1 1 63 2 2 見規(guī)范解答 3 實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 1 關于 驗證牛頓第二定律 實驗中驗證 作用力一定時 加速度與質量成反比 的實驗過程 以下做法中正確的是 A 平衡摩擦力時 應將裝沙的小桶用細繩通過定滑輪系在小車上B 每次改變小車的質量時 不需要重新平衡摩擦力C 實驗時 先放開小車 再接通電源D 可以利用天平測出沙桶和沙的質量m和小車質量M 直接用公式a 求出加速度 解析 選B 平衡摩擦力時 使小車的重力沿斜面向下的分力與小車運動所受摩擦力平衡 所以不能將小桶系在小車上 A錯誤 平衡摩擦力后 小車和板間的動摩擦因數 tan 與小車的質量無關 所以改變小車的質量時 不需要重新平衡摩擦力 B正確 實驗時 應先接通電源 待打點穩(wěn)定后 放開小車 C錯誤 本實驗是探究作用力一定時 加速度與質量成反比 不能直接用公式a 求加速度 D錯誤 2 2012 舟山模擬 在探究 加速度與力 質量的關系 的實驗中 1 某同學將實驗器材組裝成如圖所示 在接通電源進行實驗之前 請你指出該裝置中的錯誤或不妥之處 2 改正實驗裝置后 該同學順利地完成了實驗 如圖是他在實驗中得到的一條紙帶 圖中相鄰兩計數點之間的時間間隔為0 1s 由圖中的數據可算得小車的加速度a為 m s2 結果取兩位有效數字 解析 1 打點計時器應使用交流電源 而實驗中使用的是干電池 直流電源 實驗時利用沙桶及沙的重力作為小車所受的合外力 而小車會受到長木板的摩擦力作用 故應該將小車的摩擦力平衡 實驗中沒有平衡小車的摩擦力 實驗時小車應該靠近打點計時器 而實驗中小車初始位置離打點計時器太遠 2 由逐差法求解小車的加速度 答案 1 打點計時器不應使用干電池 應使用交流電源 實驗中沒有平衡小車的摩擦力 小車的初始位置離打點計時器太遠 2 0 19 0 20均正確 3 在探究加速度與力 質量的關系實驗中 采用如圖所示的實驗裝置 小車及車中砝碼的質量用M表示 盤及盤中砝碼的質量用m表示 小車的加速度可由小車拖動的紙帶打上的點計算出 1 當M與m的大小關系滿足 時 才可以認為繩對小車的拉力大小等于盤及盤中砝碼的重力 2 一組同學在做加速度與質量的關系實驗時 保持盤及盤中砝碼的質量一定 改變小車及車中砝碼的質量 測出相應的加速度 采用圖像法處理數據 為了比較容易地觀測加速度a與質量M的關系 應該做a與 的圖像 3 乙 丙同學用同一裝置做實驗 畫出了各自得到的a 圖線如圖所示 兩個同學做實驗時的哪一個物理量取值不同 解析 1 只有M與m滿足M m才能使繩對小車的拉力近似等于盤及盤中砝碼的重力 2 由于a 所以a 圖像應是一條過原點的直線 所以數據處理時 常作出a與的圖像 3 兩小車及車上的砝碼的總質量相等時 由圖像知乙的加速度大 故乙的拉力F大 或乙的盤及盤中砝碼的質量大 答案 1 M m 2 3 拉力F 4 若測得某一物體質量m一定時 a與F的有關數據資料如表所示 1 根據表中數據 畫出a F圖像 2 根據圖像判定 當m一定時 a與F的關系為 3 若甲 乙兩同學在實驗過程中 由于沒有按照正確步驟進行實驗 處理數據后得出如圖所示的a F圖像 試分析甲 乙兩同學可能存在的問題 甲 乙 解析 1 若a與F成正比 則圖像是一條過原點的直線 同時 因實驗中不可避免地出現誤差 研究誤差產生的原因 從而減小誤差 增大實驗的準確性 則在誤差允許范圍內圖像是一條過原點的直線即可 連線時應使直線過盡可能多的點 不在直線上的點應大致對稱地分布在直線兩側 離直線較遠的點應視為錯誤數據 不予考慮 描點畫圖如圖所示 2 由圖可知a與F的關系是正比例關系 3 圖中甲在縱軸上有截距 說明繩對小車拉力為零時小車就有加速度a0 可能是平衡摩擦力過度所致 乙在橫軸上有截距 可能是實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 答案 1 見解析 2 正比例關系 3 平衡摩擦力時木板抬得過高沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 5 2011 山東高考 某探究小組設計了 用一把尺子測定動摩擦因數 的實驗方案 如圖所示 將一個小球和一個滑塊用細繩連接 跨在斜面上端 開始時小球和滑塊均靜止 剪斷細繩后 小球自由下落 滑塊沿斜面下滑 可先后聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音 保持小球和滑塊釋放的位置不變 調整擋板位置 重復以上操作 直到能同時聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音 用刻度尺測出小球下落的高度H 滑塊釋放點與擋板處的高度差h和沿斜面運動的位移x 空氣阻力對本實驗的影響可以忽略 1 滑塊沿斜面運動的加速度與重力加速度的比值為 2 滑塊與斜面間的動摩擦因數為 3 以下能引起實驗誤差的是 a 滑塊的質量b 當地重力加速度的大小c 長度測量時的讀數誤差d 小球落地和滑塊撞擊擋板不同時 解析 1 由于小球落地和滑塊撞擊擋板是同時的 可以得出兩個物體運動的時間相同 即滑塊 x at2 小球 H gt2 可得出 2 對滑塊受力分析可知mgsin mgcos ma sin cos 解之可得 3 由上面的表達式可知所測動摩擦因數和H h x有關 故選c d 答案 1 2 h 3 c d 6 某實驗小組利用如圖甲所示的實驗裝置來探究當合外力一定時 物體運動的加速度與其質量之間的關系 1 由圖甲中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x 24cm 測得遮光條的寬度d 0 52cm 該實驗小組在做實驗時 將滑塊從圖甲所示位置由靜止釋放 由數字計時器可以讀出遮光條通過光電門1的時間 t1 遮光條通過光電門2的時間 t2 則滑塊經過光電門1時的瞬時速度的表達式v1 滑塊經過光電門2時的瞬時速度的表達式v2 則滑塊的加速度的表達式a 以上表達式均用字母表示 2 在本次實驗中 實驗小組通過改變滑塊質量總共做了6組實驗 得到如表所示的實驗數據 通過分析表中數據后 你得出的結論是 3 現需通過圖像進一步驗證你的結論 請利用表格數據 在圖乙坐標系中描點作出相應圖像 解析 1 由于遮光條的寬度很小 遮光條通過光電門的時間很短 這段時間內的平均速度即為滑塊通過光電門的瞬時速度 故v1 v2 滑塊由光電門1到光電門2做勻加速直線運動 由v22 v12 2ax可得 2 在合外力不變的情況下 物體運動的加速度跟物體的質量成反比 當合外力一定時 在誤差允許的范圍內 物體質量和加速度的乘積近似相等 3 如圖所示 答案 1 2 3 見解析 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全