高考物理一輪總復(fù)習(xí)第三章實驗四驗證牛頓運動定律講義含解析新人教版.docx

驗證牛頓運動定律注意事項1實驗方法：控制變量法2平衡摩擦力：在平衡摩擦力時，不要懸掛小盤，但小車應(yīng)連著紙帶且接通電源用手給小車一個初速度，如果在紙帶上打出的點的間隔是均勻的，表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡3不重復(fù)平衡摩擦力：平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力4實驗條件：Mm.只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力5一先一后一按?。焊淖兝托≤囐|(zhì)量后，每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器，并應(yīng)先接通電源，后放開小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車6作圖：作圖時兩軸標(biāo)度比例要適當(dāng)，各量須采用國際單位這樣作圖線時，坐標(biāo)點間距不至于過密，誤差會小些誤差分析1因?qū)嶒炘聿煌晟埔鹫`差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2摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、計數(shù)點間距測量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會引起誤差熱點一實驗原理與實驗操作典例賞析典例1(2019湖南衡陽八中月考)在探究加速度與物體所受合外力和質(zhì)量間的關(guān)系時，采用如圖所示的實驗裝置，小車及車中的砝碼質(zhì)量用M表示，盤及盤中的砝碼質(zhì)量用m表示，小車的加速度可由紙帶上打點計時器打出的點計算出(1)當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足_時，才可以認(rèn)為細(xì)線對小車的拉力大小等于盤和盤中砝碼的重力(2)一組同學(xué)在保持盤及盤中的砝碼質(zhì)量一定的情況下，探究加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系，以下做法正確的是_.A平衡摩擦力時，應(yīng)將盤及盤中的砝碼用細(xì)線繞過定滑輪系在小車上B每次改變小車的質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力C實驗時，先放開小車，再接通打點計時器電源D小車運動的加速度可用天平測出m和M，直接用公式a求出(3)在保持小車及車中的砝碼質(zhì)量M一定，探究加速度與所受合外力的關(guān)系時，由于平衡摩擦力時操作不當(dāng)，兩位同學(xué)得到的aF關(guān)系分別如圖中甲、乙所示(a是小車的加速度，F(xiàn)是細(xì)線作用于小車的拉力)其原因分別是：甲圖：_；乙圖：_.解析(1)對盤及盤中砝碼：mgFma；對小車：FMa，聯(lián)立可得：a，F(xiàn)mg，只有當(dāng)mM時，才可認(rèn)為Fmg.(2)平衡摩擦力時，先去掉盤、盤中砝碼和細(xì)線，只讓小車在重力沿斜面方向的分力作用下向左運動，當(dāng)小車能勻速運動時，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)再次改變小車質(zhì)量時，無需再平衡摩擦力，B正確；實驗時，要先接通打點計時器的電源，使打點計時器正常工作，再釋放小車，C不正確；小車的加速度是通過處理紙帶確定的，D不正確(3)由甲圖可看出F0時，a0，說明木板的傾角過大，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，才會有加速度，說明平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力答案(1)mM(2)B(3)木板的傾角過大沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足題組鞏固1某實驗小組利用圖甲所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系(1)下列做法正確的是_(填字母代號)A調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行B在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上C實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源D通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運動時受到的拉力，應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量_木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量(填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)(3)甲、乙兩同學(xué)在同一實驗室，各取一套圖甲所示的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關(guān)系，分別得到如圖乙中甲、乙兩條直線，設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動摩擦因數(shù)分別為甲、乙，由圖乙可知，m甲_m乙，甲_乙(填“大于”“小于”或“等于”)解析：(1)在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實驗中，平衡摩擦力時木板不通過定滑輪掛砝碼桶，而要掛紙帶，并且改變質(zhì)量時不需要重新平衡摩擦力；在實驗時應(yīng)先接通電源再放開木塊，故選項A、D均正確；B、C均錯誤(2)選木塊(M)、砝碼桶及桶內(nèi)的砝碼(m)為研究對象，則mg(Mm)a選砝碼桶及桶內(nèi)的砝碼為研究對象則mgFTma聯(lián)立得：FTmg要使FTmg需要0，即Mm對木塊由牛頓第二定律得：Fmgma即aFg.由上式與題圖結(jié)合可知：，甲g乙g即：m甲m乙，甲乙答案：(1)AD(2)遠(yuǎn)小于(3)小于大于2(2019湖北襄陽四中模擬)某同學(xué)在實驗室用如圖甲所示的實驗裝置做“探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系”的實驗(1)為了盡可能減少摩擦力的影響，打點計時器最好選用_(填“電磁打點計時器”或“電火花計時器”)，同時需將長木板的右端墊高，輕推一下小車，使小車能拖動穿過打點計時器的紙帶做_.(2)在_條件下，可以認(rèn)為繩對小車的拉力近似等于砂和砂桶的總重力，通過改變_(填“砂和砂桶”或“小車”)的質(zhì)量，可探究加速度與_(填“小車”或“砂和砂桶”)質(zhì)量的關(guān)系(3)如果某次實驗打出的紙帶如圖乙所示，O為起點，A、B、C為過程中的三個相鄰的計數(shù)點，相鄰的計數(shù)點之間有四個點沒有標(biāo)出，A、B、C到O點的距離在圖中已標(biāo)出，所用交流電的頻率為f，則測出小車運動的加速度為a_.解析：(1)電磁打點計時器的振針與紙帶間存在一定的摩擦，因此為了盡可能減少摩擦力的影響，應(yīng)選用電火花計時器；平衡摩擦力時，應(yīng)該在不掛砂桶的條件下，輕推小車，如果小車做勻速直線運動，表明摩擦力已平衡(2)在砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量的條件下，可以認(rèn)為繩對小車的拉力近似等于砂和砂桶的總重力；應(yīng)通過改變小車的質(zhì)量，探究加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系(3)(s3s2)(s2s1)a2得小車運動的加速度：a.答案：(1)電火花計時器勻速直線運動(2)砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量小車小車(3)考點二實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析典例賞析典例2(2019西藏拉薩中學(xué)月考)光電計時器是一種研究物體運動情況的常見儀器當(dāng)有物體從光電門通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間現(xiàn)利用如圖甲所示的裝置探究物體的加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系，其NQ是水平桌面，PQ是一端帶有滑輪的長木板，1、2是固定在木板上的兩個光電門(與之連接的兩個光電計時器沒有畫出)小車上固定著用于擋光的窄片K，測得其寬度為d，讓小車從木板的頂端滑下，光電門各自連接的計時器顯示窄片K的擋光時間分別為t1和t2.(1)該實驗中，在改變小車的質(zhì)量M或砂桶的總質(zhì)量m時，保持Mm，這樣做的目的是_；(2)為了計算出小車的加速度，除了測量d、t1和t2之外，還需要測量_，若上述測量量用x表示，則用這些物理量計算加速度的表達(dá)式為a_；(3)某位同學(xué)經(jīng)過測量、計算得到如下表數(shù)據(jù)，請在圖乙中作出小車加速度與所受合外力的關(guān)系圖象組別1234567M/kg0.580.580.580.580.580.580.58F/N0.100.150.200.250.300.350.40a/(ms2)0.130.170.260.340.430.510.59(4)由圖象可以看出，該實驗存在著較大的誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因是_解析(1)該實驗中，在改變小車的質(zhì)量M或砂桶的總質(zhì)量m時，保持Mm，這樣做的目的是使得小車所受合外力大小等于(或約等于)mg.(2)為了計算出小車的加速度，除了測量d、t1和t2之外，還需要測量兩光電門之間的距離，若上述測量量用x表示，小車通過兩光電門的速度分別為v1和v2，則根據(jù)vv2ax可得加速度的表達(dá)式為a；另外，也可測量小車由光電門1運動至光電門2所用時間x，則a.(3)圖線如圖(4)由圖象可以看出，產(chǎn)生誤差的主要原因是沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足答案(1)使得小車所受合外力大小等于(或約等于)mg(2)兩光電門間的距離或小車由光電門1運動至光電門2所用時間(3)見解析圖(4)沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足常見aF圖象涉及的誤差分析“驗證牛頓運動定律”實驗得到的理想aF圖象應(yīng)是一條過原點的直線，但由于實驗誤差影響，常出現(xiàn)如圖所示的三種情況(說明見下表)圖線特征產(chǎn)生原因圖線的上部彎曲當(dāng)木塊受力F較大時，不滿足“砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量”的條件圖線與a軸有截距平衡摩擦力時長木板的傾角過大，F(xiàn)0(即不掛砝碼桶)時木塊就具有了加速度圖線與F軸有截距平衡摩擦力時長木板的傾角過小，或未平衡摩擦力只有當(dāng)F增加到一定值，木塊才獲得加速度題組鞏固3某同學(xué)利用圖(a)所示實驗裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼的質(zhì)量m的對應(yīng)關(guān)系圖，如圖(b)所示實驗中小車(含發(fā)射器)的質(zhì)量為200 g，實驗時選擇了不可伸長的輕質(zhì)細(xì)繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機(jī)得到回答下列問題：(1)根據(jù)該同學(xué)的結(jié)果，小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成_(填“線性”或“非線性”)關(guān)系(2)由圖(b)可知，am圖線不經(jīng)過原點，可能的原因是_.(3)若利用本實驗裝置來驗證“在小車質(zhì)量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結(jié)論，并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，則實驗中應(yīng)采取的改進(jìn)措施是_，鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是_.解析：(1)由題圖(b)可知小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成非線性關(guān)系(2)am圖線不經(jīng)過原點，在m軸上有截距，即掛上小鉤碼后小車加速度仍為零，可能的原因是存在摩擦力(3)本實驗直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，則應(yīng)采取的措施是調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力，鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量答案：(1)非線性(2)存在摩擦力(3)調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量4(2019河北模擬)某同學(xué)用圖甲所示的實驗裝置驗證牛頓第二定律(1)通過實驗得到如圖乙所示的aF圖象，造成這一結(jié)果的原因是：在平衡摩擦力時木板與水平桌面的夾角_(填“偏大”或“偏小”)(2)該同學(xué)在平衡摩擦力后進(jìn)行實驗，實際小車在運動過程中所受的拉力_砝碼和盤的總重力(填“大于”“小于”或“等于”)，為了便于探究、減小誤差，應(yīng)使小車質(zhì)量M與砝碼和盤的總質(zhì)量m滿足_的條件(3)該同學(xué)得到如圖丙所示的紙帶已知打點計時器電源頻率為50 Hz.A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個連續(xù)的點xxDGxAD_cm.由此可算出小車的加速度a_ m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析：(1)根據(jù)所給的aF圖象可知，當(dāng)F0時，小車已經(jīng)有了加速度a0，所以肯定是在平衡摩擦力時木板與水平桌面間的夾角偏大造成的(2)根據(jù)牛頓第二定律，對小車FMa，對砝碼和盤mgFma，解得Fmg，只有當(dāng)Mm時，小車受到的拉力才近似等于mg，從而減小誤差(3)由題圖丙可讀出xAD2.10 cm，xDG3.90 cm，所以xxDGxAD1.80 cm，根據(jù)xat2，解得a5.0 m/s2.答案：(1)偏大(2)小于Mm(3)1.805.0考點三實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新核心提煉創(chuàng)新點創(chuàng)新方案實驗器材氣墊導(dǎo)軌(不用平衡摩擦力)替代長木板；光電門替代打點計時器實驗方案以本實驗為背景，結(jié)合牛頓第二定律，測量兩接觸面間的動摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)處理小車的加速度可以利用傳感器，借助于計算機(jī)來處理測定通過的時間，由典例賞析典例3(2018全國卷)某同學(xué)用圖(a)所示的裝置測量木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)跨過光滑定滑輪的細(xì)線兩端分別與木塊和彈簧秤相連，滑輪和木塊間的細(xì)線保持水平，在木塊上方放置砝碼緩慢向左拉動水平放置的木板，當(dāng)木塊和砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動時，彈簧秤的示數(shù)即木塊受到的滑動摩擦力的大小某次實驗所得數(shù)據(jù)在下表中給出，其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數(shù)讀出砝碼的質(zhì)量m/kg0.050.100.150.200.25滑動摩擦力f/N2.152.362.55f42.93回答下列問題：(1)f4_N；(2)在圖(c)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊未畫出的數(shù)據(jù)點并繪出fm圖線；(3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動摩擦因數(shù)及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f_，fm圖線(直線)的斜率的表達(dá)式為k_；(4)g取9.80 m/s2，由繪出的fm圖線求得_.(保留兩位有效數(shù)字)審題指導(dǎo)(1)對木板拉動的過程中，木塊與砝碼處于平衡狀態(tài)，木塊所受摩擦力與細(xì)繩的拉力相等(2)找出fm的關(guān)系，由圖象求出圖象的斜率，進(jìn)而求出動摩擦因數(shù)解析本題考查物體的平衡、滑動摩擦力的計算及分析圖象的能力(1)由圖可知彈簧秤的讀數(shù)為2.75 N.(2)畫圖線時應(yīng)使盡可能多的點落在線上，不在線上的點應(yīng)均勻分布在線的兩側(cè)，如答案圖所示(3)以木塊和砝碼為研究對象，整體水平方向受木板的滑動摩擦力和細(xì)線的拉力，f(Mm)g，整理得fmgMg，故fm圖線的斜率kg.(4)由圖知k3.9 N/kg，故0.40.答案(1)2.75(2)如圖所示(3)(Mm)gg(4)0.40題組鞏固5(2019威海模擬)某實驗小組利用如圖所示的裝置進(jìn)行驗證：當(dāng)質(zhì)量m一定時，加速度a與力F成正比的關(guān)系，其中Fm2g，mm1m2(m 1為小車及車內(nèi)砝碼的總質(zhì)量，m2為桶及桶中砝碼的總質(zhì)量)具體做法是：將小車從A處由靜止釋放，用速度傳感器測出它運動到B處時的速度v，然后將小車內(nèi)的一個砝碼拿到小桶中，小車仍從A處由靜止釋放，測出它運動到B處時對應(yīng)的速度，重復(fù)上述操作圖中AB相距x.(1)設(shè)加速度大小為a，則a與v及x間的關(guān)系式是_.(2)如果實驗操作無誤，四位同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出了下列圖象，其中正確的是_.(3)下列哪些措施能夠減小本實驗的誤差_.A實驗中必須保證m2m1B實驗前要平衡摩擦力C細(xì)線在桌面上的部分應(yīng)與長木板平行D圖中AB之間的距離x盡量小些解析：(1)小車做初速度為零的勻加速直線運動，由勻變速直線運動的速度位移公式得：v22ax.(2)由(1)可知：v22ax，由牛頓第二定律得：a，則：v2F，v2與F成正比，故選A.(3)以系統(tǒng)為研究對象，加速度：a，系統(tǒng)所受拉力等于m2g，不需要滿足m2m1，故A錯誤；為使系統(tǒng)所受合力等于桶與桶中砝碼的重力，實驗需要平衡摩擦力，還需要細(xì)線在桌面上的部分與長木板平行，故B、C正確；為減小實驗誤差，圖中A、B之間的距離x應(yīng)盡量大些，故D錯誤答案：(1)v22ax(2)A(3)BC6(2019上海質(zhì)檢)在用DIS研究小車加速度與外力的關(guān)系時，某實驗小組先用如圖(a)所示的實驗裝置，重物通過滑輪用細(xì)線拉小車，在小車和重物之間接一個不計質(zhì)量的微型力傳感器，位移傳感器(發(fā)射器)隨小車一起沿水平軌道運動，位移傳感器(接收器)固定在軌道一端實驗中力傳感器的拉力為F，保持小車(包括位移傳感器發(fā)射器)的質(zhì)量不變，改變重物重力重復(fù)實驗若干次，得到加速度與外力的關(guān)系如圖(b)所示(重力加速度g取10 m/s2)(1)小車與軌道的滑動摩擦力f_N.(2)從圖象中分析，小車(包括位移傳感器發(fā)射器)的質(zhì)量為_kg.(3)為得到a與F成正比的關(guān)系，應(yīng)將斜面的傾角調(diào)整到tan _.解析：(1)根據(jù)圖象可知，當(dāng)F0.5 N時，小車開始有加速度，則f0