高考物理一輪復(fù)習(xí)第三章牛頓運動定律第5講實驗驗證牛頓第二定律課件.ppt

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第5講 實驗：驗證牛頓第二定律,知識梳理,1.某研究性學(xué)習(xí)小組用如圖所示的裝置探究牛頓第二定律。該小組在 實驗中確定的研究對象是小車,而且認(rèn)為細(xì)線對小車的拉力等于砂桶和 砂的總重力,也是小車所受的合外力,則對該實驗,以下說法中不正確的 是 ( ) A.在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板,反復(fù)移動木板的位置, 直到小車在砂桶和砂的拉動下帶動紙帶做勻速直線運動,以平衡小車運,動中受到的摩擦力 B.實驗中必須使砂桶和砂的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量 C.細(xì)線對小車的真實拉力一定略小于砂桶和砂的總重力 D.該實驗是應(yīng)用“控制變量法”來探究牛頓第二定律的,A,答案 A 把長木板一端墊高是為了平衡摩擦力,應(yīng)該在不掛砂桶的情 況下平衡摩擦力,使小車拖動紙帶做勻速運動。,2.“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所 示。 甲,(1)在平衡小車與木板之間摩擦力的過程中,打出了一條紙帶如圖 乙所示。計時器打點的時間間隔為0.02 s。從比較清晰的點起,每5個點 取一個計數(shù)點,量出相鄰計數(shù)點之間的距離。該小車的加速度a= 0.16 m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。 (2)平衡摩擦力后,將5個相同的砝碼都放在小車上。掛上砝碼盤,然后每 次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,測量小車的加速度。小車的加 速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數(shù)據(jù)如下表:,請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出a-F的關(guān)系圖像。 (3)根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的a-F圖線不通過原點,請說明主要原因。,答案 (1)0.16(0.15也算對) (2)如圖所示 (3)未計入砝碼盤的重力,解析 (1)a= = m/s2=0.16 m/s2,或a= = m/s2=0.15 m/s2。 (2)見答案。 (3)實驗時應(yīng)測出砝碼盤和砝碼的總重力,而表中數(shù)據(jù)漏計了砝碼盤的 重力,導(dǎo)致合力F的測量值小于真實值,a-F圖線不過原點。,深化拓展,考點一 實驗的注意事項,考點二 實驗的創(chuàng)新方案,深化拓展 考點一 實驗的注意事項 1.為什么只有當(dāng)小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼總質(zhì)量時,才可認(rèn)為 小盤和砝碼的重力近似等于小車受到的拉力呢? 分析:根據(jù)牛頓第二定律,對小盤和砝碼:mg-F=ma 對小車:F=Ma 由兩式得:F= = mg 所以只有當(dāng)Mm時,Fmg。,2.本實驗為什么畫a- 圖像而不畫a-M圖像。 分析:實驗中作出的是a- 圖像。因為a-M圖像是一條曲線,而根據(jù)曲線 不好確定兩個量的關(guān)系,這種情況下物理實驗數(shù)據(jù)的處理多采用“化曲 為直”的思想,作a- 圖像。,1-1 某同學(xué)設(shè)計了一個探究小車的加速度a與小車所受拉力F及質(zhì)量m 關(guān)系的實驗,圖(a)為實驗裝置簡圖。(所用交流電的頻率為50 Hz) 圖(a),圖(b) (1)為了研究加速度和質(zhì)量的關(guān)系,在實驗中必須采用控制變量法, 應(yīng)保持 拉力F 不變,用砂桶及砂所受的重力作為 小車所受拉力 ,圖(b)為某次 實驗得到的紙帶,實驗數(shù)據(jù)如圖,圖中相鄰計數(shù)點之間還有4個點未畫出, 根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為 0.64 m/s2。(保留三位有效數(shù) 字) (2)在本次實驗中,實驗小組通過改變小車質(zhì)量共做了8組實驗,得到下表 所示的實驗數(shù)據(jù),通過分析表中數(shù)據(jù),你得出的結(jié)論是: 。,在小車所受外力不變的條件下,加速度與質(zhì)量成反比例關(guān)系 a-,現(xiàn)需通過圖像進(jìn)一步驗證你的結(jié)論,可利用表格數(shù)據(jù)作圖,應(yīng)在坐 標(biāo)紙中畫出 圖線。,(3)在某次實驗中為研究加速度和力的關(guān)系,根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫 出a-F關(guān)系圖線,如圖所示,此圖線的AB段明顯偏離直線,造成此誤差的 主要原因是 ( ) A.小車與木板之間存在摩擦,B.木板保持了水平狀態(tài) C.所掛砂桶的總質(zhì)量太大 D.所用小車的質(zhì)量太大,C,答案 (1)拉力F 小車所受拉力 0.64 (2)在小車所受外力不變的條 件下,加速度與質(zhì)量成反比例關(guān)系 a- (3)C,解析 (1)采用控制變量法研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,需將外力F保持不 變。平衡摩擦力后,可將砂桶及砂的重力作為小車所受拉力;紙帶上有 六組數(shù)據(jù),充分利用數(shù)據(jù),采用“逐差法”計算,a= =0.64 m/s2。 (2)通過1、5、7組數(shù)據(jù),可看到質(zhì)量加倍,加速度在誤差范圍內(nèi)減半,故 加速度與質(zhì)量成反比例關(guān)系;a-m圖線為曲線,并不能說明是成反比例關(guān) 系,故應(yīng)作a- 圖線。 (3)由于OA段a-F關(guān)系圖線為一傾斜的線段,所以在質(zhì)量不變的條件下, 加速度與外力成正比;AB段明顯偏離直線是由于所掛砂桶的總質(zhì)量太 大,沒有滿足Mm造成的。,1-2 (2016北京海淀期中,12)實驗小組的同學(xué)在“驗證牛頓第二定律” 實驗中,使用了如圖所示的實驗裝置。 (1)在下列測量工具中,本次實驗需要用的測量儀器有 BD 。(選填測 量儀器前的字母),A.游標(biāo)卡尺 B.刻度尺 C.秒表 D.天平 (2)實驗中,為了可以將細(xì)線對小車的拉力看成是小車所受的合外力,某 同學(xué)先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細(xì)線與長木板平行。接下來還需 要進(jìn)行的一項必須且正確的操作是 B 。(選填選項前的字母) A.將長木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶,給打點 計時器通電,調(diào)節(jié)砂和砂桶的總質(zhì)量的大小,使小車在砂和砂桶的牽引 下運動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 B.將長木板的右端墊起適當(dāng)?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的,紙帶,撤去砂和砂桶,給打點計時器通電,輕推一下小車,從打出的紙帶判 斷小車是否做勻速運動 C.將長木板的右端墊起適當(dāng)?shù)母叨?撤去紙帶以及砂和砂桶,輕推一下 小車,觀察判斷小車是否做勻速運動 (3)某同學(xué)在做保持小車質(zhì)量不變,驗證小車的加速度與其合外力成正 比的實驗時,根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作出如圖所示的 a-F 圖線,所得的圖線既 不過原點,又不是直線,原因可能是 AD 。(選填選項前的字母),A.木板右端所墊物體較低,使得木板的傾角偏小 B.木板右端所墊物體較高,使得木板的傾角偏大 C.小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量 D.砂和砂桶的質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量 (4)在某次利用上述已調(diào)整好的裝置進(jìn)行實驗中,保持砂和砂桶的總質(zhì) 量不變,小車自身的質(zhì)量為M且保持不變,改變小車中砝碼的質(zhì)量m,并測 出小車中放不同質(zhì)量砝碼時所對應(yīng)的加速度a,以m為橫坐標(biāo), 為縱坐 標(biāo),在坐標(biāo)紙上作出如圖所示的 -m關(guān)系圖線,實驗結(jié)果驗證了牛頓第 二定律。如果圖中縱軸上的截距為b,則小車受到的拉力大小為 。,答案 (1)BD (2)B (3)AD (4),解析 (1)驗證牛頓第二定律實驗中,需要用刻度尺測紙帶上點之間的 距離,需要用天平測物體的質(zhì)量,故選B、D。 (2)在實驗中,必須有平衡摩擦力這個環(huán)節(jié),其中B選項就是為了這個目 的。 (3)a-F圖線出現(xiàn)橫軸截距,說明平衡摩擦力不夠,即木板右端所墊物體較 低,使得木板的傾角偏小;圖線不是直線,是由于砂和砂桶的總質(zhì)量不滿 足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量,故AD正確。 (4)設(shè)小車所受到的拉力為F,則有F=(M+m)a,得 = M+ m,由 -m圖像, 得 =b,故F= 。,考點二 實驗的創(chuàng)新方案 以本實驗為背景,通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目,不脫離 教材而又不拘泥教材,體現(xiàn)開放性、探究性、設(shè)計性等特點。 視角1 實驗器材的改進(jìn) 用氣墊導(dǎo)軌和兩個光電門來完成此實驗。 視角2 數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn) 小車的加速度可以利用傳感器,借助于計算機來處理。 視角3 實驗方案的改進(jìn) 以小車和吊桶的整體為研究對象。,2-1 某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)要驗證“牛頓第二定律”,他們在實驗室 組裝了一套如圖所示的裝置,水平軌道上安裝兩個光電門,小車上固定 有力傳感器和擋光板,細(xì)線一端與力傳感器連接,另一端跨過定滑輪掛 上砝碼盤。實驗時首先保持軌道水平,通過調(diào)整砝碼盤里砝碼的質(zhì)量讓 小車做勻速運動以實現(xiàn)平衡摩擦力,再進(jìn)行后面的操作,并在實驗中獲 得以下測量數(shù)據(jù):小車、力傳感器和擋光板的總質(zhì)量M,平衡摩擦力時 砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量m0,擋光板的寬度d,光電門1和2中心的距離s。,(1)該實驗是否需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量? 不需要 。(填“需要”或“不需要”) (2)實驗需用游標(biāo)卡尺測量擋光板的寬度d,如圖所示,d= 5.50 mm。 (3)某次實驗過程:力傳感器的讀數(shù)為F,小車通過光電門1和2的擋光時 間分別為t1、t2(小車通過光電門2后,砝碼盤才落地),已知重力加速度 為g,則該實驗要驗證的表達(dá)式是 。,答案 (1)不需要 (2)5.50 (3)F=M,解析 (1)由于實驗裝置圖中已給出了力傳感器,所以不需要滿足砝碼 和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量(m0M車)。 (2)d=5 mm+0.0510 mm=5.50 mm。 (3)小車在光電門1處的速度為v1= ,在光電門2處的速度為v2= ,所以根 據(jù) - =2as,可得:a= 由F=Ma可知F=M,2-2 如圖所示的實驗裝置可以探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,小車上 固定一個盒子,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,小車的總質(zhì)量(包括車、盒子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量)記為M。 (1)驗證在質(zhì)量不變的情況下,加速度與合外力成正比時,從盒子中取出 一些沙子,裝入沙桶中,稱量并記錄沙桶的總重力mg,將該力視為合外力 F,對應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中計算得出。多次改變合外力F的大 小,每次都會得到一個相應(yīng)的加速度。本次實驗中,桶內(nèi)的沙子取自小,車中,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,畫出 a-F圖像,圖像是一條過原點的直線。 a-F圖像斜率的物理意義是 。 你認(rèn)為把沙桶的總重力mg當(dāng)作合外力F是否合理? 答: 合理 。(填“合理”或“不合理”) 本次實驗中,是否應(yīng)該滿足Mm這樣的條件? 答: 否 (填“是”或“否”);理由是 因為實驗的研究對象是整個系統(tǒng),系統(tǒng)受到的合外力就等于mg 。 (2)驗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,驗證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。本 次實驗中,桶內(nèi)的沙子總質(zhì)量不變,故系統(tǒng)所受的合外力不變。,用圖像法處理數(shù)據(jù)時,以加速度a為縱軸,應(yīng)該以 M+m 的倒數(shù)為橫 軸。,答案 (1) 合理 否 因為實驗的研究對象是整個系統(tǒng), 系統(tǒng)受到的合外力就等于mg (2)M+m,解析 (1)將車內(nèi)的沙子轉(zhuǎn)移到桶中,保證了M+m不變,即系統(tǒng)的總質(zhì)量 不變,研究對象是整個系統(tǒng),a= = ,可見a-F圖像斜率的物理意 義是 ,系統(tǒng)的合外力就等于所懸掛沙桶的重力mg,不必滿足Mm 這樣的條件。 (2)保持桶內(nèi)沙子質(zhì)量不變,向小車上的盒子內(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)所受的合外力仍等于所懸掛沙桶的重 力mg,保證了合外力不變,由牛頓第二定律可知應(yīng)該以M+m的倒數(shù)為橫 軸。,