高考物理實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律理論指導(dǎo)

1、高考物理一輪復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律(1) 學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律。(2) 驗(yàn)證牛頓第二定律。(3) 掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法。探究加速度a與力F及質(zhì)量的關(guān)系時(shí)， 應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個(gè)m參量小車的質(zhì)量m不變，討論加速度a 與力 F 的關(guān)系，再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變，即力 F 不變，改變小車質(zhì)量m，討論加速度a 與 m的關(guān)系。電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、復(fù)寫紙片和紙帶、一端帶有定滑輪的長木板、小車、小盤、低壓交流電源、天平、砝碼、刻度尺、導(dǎo)線。圖實(shí) 4 1(1) 用天平測量小盤的質(zhì)量 m0 和小車的質(zhì)量 M0。(2) 把一端附有滑輪的長木板放在實(shí)驗(yàn)桌上，并使滑輪伸出桌面，把打

2、點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長木板上遠(yuǎn)離滑輪的一端，連接好電路。(3) 平衡摩擦力：小車的尾部掛上紙帶，紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，將木板無滑輪的一端稍微墊高一些， 使小車在不掛小盤和砝碼的情況下，能沿木板做勻速直線運(yùn)動(dòng)。 這樣小車所受重力沿木板的分力與小車所受摩擦力平衡。在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件下，可以近似認(rèn)為小盤和砝碼的總重力大小等于小車所受的合外力的大小。(4) 把小車停在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處，掛上小盤和砝碼，先接通電源，再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑，打出一條紙帶。(5) 改變小盤內(nèi)砝碼的個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟(4) ，并多做幾次。(6) 保持小盤內(nèi)的砝碼個(gè)數(shù)不變，在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)

3、量，讓小車在木板上滑動(dòng)打出紙帶。(7) 改變小車上砝碼的個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟(6) 。(1) 把小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中：實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m ·s 2)小車受力 /NF1234圖實(shí) 4 2由以上數(shù)據(jù)畫出它的aF 關(guān)系圖象如圖實(shí)4 2 所示。通過 a F 關(guān)系圖象，我們可以得出小車的加速度a 與力 F 成正比。(2) 把不同質(zhì)量的小車在相同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中：實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度 a/(m ·s2)小車質(zhì)量M/kg12341由以上數(shù)據(jù)畫出它的aM圖象及 a 圖象，如圖實(shí)4 3 甲、乙所示。M圖實(shí) 4 3通過 1a與質(zhì)量成反比，與質(zhì)量的和 關(guān)系圖象，我們可以

4、得出小車的加速度aM aMM1倒數(shù)成正比。M(1) 平衡摩擦力時(shí)，調(diào)節(jié)長木板形成一個(gè)合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力。 在平衡摩擦力時(shí)， 不要把懸掛小盤的細(xì)線系在小車上， 即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)。(2) 在本實(shí)驗(yàn)中，由于兩個(gè)小車輪子的靈活程度可能不相同，所受的摩擦力也可能不相等，平衡摩擦力就有困難。 應(yīng)該盡可能選取光滑的長木板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 以減小因摩擦而造成的系統(tǒng)誤差。(3) 安裝器材時(shí)，要調(diào)整滑輪的高度，使拴小車的細(xì)繩與斜面平行，且連接小車和砝碼盤應(yīng)在平衡摩擦力之后。(4) 整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變重物質(zhì)量，還是改變小車

5、和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力。(5) 每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量的條件下打出。只有如此，重物重力才可視為小車受到的拉力。(6) 改變拉力和小車質(zhì)量后， 每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器， 并應(yīng)先接通電源，再放開小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車。(7) 作圖象時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。(8) 作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要選擇適當(dāng)。各量須采用國際單位。這樣作圖線時(shí)，坐標(biāo)點(diǎn)間距不至于過密，誤差會(huì)小些。(9) 為提高測量精度，可以采取下列措施：應(yīng)舍掉紙帶上開頭比較密集的點(diǎn)，在后邊便于測量的地方找一個(gè)起點(diǎn)?？梢园?/p>

6、每打五次點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間單位，即從開始點(diǎn)起， 每隔四個(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 0.1 秒。1系統(tǒng)誤差以小車、小盤和砝碼整體為研究對象得mg ( Mm) a；以小車為研究對象得F Ma；求得M1F · mg· mg<mg。M mm1 M本實(shí)驗(yàn)用小盤和砝碼的總重力代替小車的拉力，而實(shí)際上小車所受的拉力要小于小mg盤和砝碼的總重力。小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近于小車的質(zhì)量，誤差越大；反之， 小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，由此引起的誤差就越小。因此，滿足小盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量的目的就是為了減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差。2偶然誤差摩擦力

7、平衡不準(zhǔn)確、 質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、 計(jì)數(shù)點(diǎn)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(huì)引起誤差。本實(shí)驗(yàn)中可以用氣墊導(dǎo)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(jì)算機(jī)來處理。實(shí)驗(yàn)原理與操作 例 1(2013 ·天津模擬 ) 在驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中，(1) 某組同學(xué)用如圖實(shí) 4 4 所示裝置，采用控制變量的方法，來研究小車質(zhì)量不變的情況下，小車的加速度與小車受到的力的關(guān)系。下列措施中不需要和不正確的是_。圖實(shí) 4 4首先要平衡摩擦力，使小車受到的合力就是細(xì)繩對小車的拉力平衡摩擦力的方法就是，在塑料小桶中添加砝碼，使小車能勻速滑動(dòng)每次改變拉

8、小車的拉力后都需要重新平衡摩擦力實(shí)驗(yàn)中通過在塑料桶中增加砝碼來改變小車受到的拉力實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先放小車，然后再開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源AB CD圖實(shí) 4 5(2) 某組同學(xué)實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，畫出 a F 圖象如圖實(shí) 4 5 所示，那么該組同學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題可能是 _。A實(shí)驗(yàn)中摩擦力沒有平衡B實(shí)驗(yàn)中摩擦力平衡過度C實(shí)驗(yàn)中繩子拉力方向沒有跟平板平行D實(shí)驗(yàn)中小車質(zhì)量發(fā)生變化解析(1) 為了確保細(xì)繩的拉力等于小車所受的合力，需要先平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法是使木板傾斜，讓重力沿斜面向下的分力等于小車所受的摩擦力，即滿足tan ，不需要反復(fù)平衡摩擦力。因打點(diǎn)計(jì)時(shí)器剛開始打點(diǎn)不穩(wěn)定，需要先接通電源，后放開紙帶，選B。

9、(2) 從圖象看，拉力 F 等于零時(shí)，小車的加速度不為零，且加速度為正向值，則有可能是摩擦力平衡過度或拉力的測量值偏小，選B。答案(1)B(2)B實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析 例2(2013 ·德州模擬) 某組同學(xué)設(shè)計(jì)了“探究加速度a 與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。圖實(shí)4 6 為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖，A為小車，B 為電火花計(jì)時(shí)器，C為裝有細(xì)砂的小桶，D為一端帶有定滑輪的長木板，實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力F 等于細(xì)砂和小桶的總重量，小車運(yùn)動(dòng)的加速度a 可用紙帶上打出的點(diǎn)求得。圖實(shí) 4 6(1) 圖實(shí) 4 7 為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，已知實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率為可求出電火花計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)的速度為 _

10、m/s ，小車的加速度大小為50 Hz 。根據(jù)紙帶 _m/s 2。( 結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)圖實(shí) 4 7(2) 在“探究加速度 a 與質(zhì)量 m的關(guān)系”時(shí)，某同學(xué)按照自己的方案將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注，但尚未完成圖象 ( 如圖實(shí) 4 8 所示 ) 。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖象。圖實(shí)4 8(3) 在 “探究加速度a 與合力F 的關(guān)系”時(shí)，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a 與合力 F 的圖線如圖實(shí)4 9，該圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，試分析圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因。答： _ 。圖實(shí) 4 9解析(1)AC這段位移的平均速度等于AC這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度，即B 點(diǎn)的B 2瞬時(shí)速度，故AB B

11、Cm/s 1.6 m/s 。v 4×0.024T由逐差法求解小車的加速度aCD DE ABBCT2 7.72 6.19 22m/s 2 3.2 m/s2(2) 將坐標(biāo)系中各點(diǎn)連成一條直線，連接時(shí)應(yīng)使直線過盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不予考慮， 連線如圖所示。(3) 圖線與橫軸有截距，說明實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠。 答案 (1)1.63.2(2) 圖見解析(3) 實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠同類實(shí)驗(yàn)的拓展與創(chuàng)新 例3如圖實(shí)4 10 所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律，小車上固定一個(gè)盒子，盒子內(nèi)盛有砂子。砂桶

12、的總質(zhì)量( 包括桶以及桶內(nèi)砂子質(zhì)量) 記為 m，小車的總質(zhì)量( 包括車、盒子及盒內(nèi)砂子質(zhì)量)記為 M。圖實(shí) 4 10(1) 驗(yàn)證在質(zhì)量不變的情況下，加速度與合力成正比。從盒子中取出一些砂子，裝入砂桶中， 稱量并記錄砂桶的總重力，將該力視為合力，對應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中mgF計(jì)算得出。 多次改變合力 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)的砂子取自小車中，故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變。以合力F 為橫軸，以加速度a 為縱軸，畫出a F圖象，圖象是一條過原點(diǎn)的直線。 aF 圖象斜率的物理意義是 _ 。你認(rèn)為把砂桶的總重力 mg當(dāng)做合力 F 是否合理？答： _。 ( 選填“合理”或“不合理”) 本次實(shí)驗(yàn)中，是否應(yīng)該滿足 M? m這樣的條件？答： _( 選填“是”或“否” ) ；理由是 _ 。(2) 驗(yàn)證在力不變的情況下，加速度與質(zhì)量成反比。保持桶及桶內(nèi)砂子質(zhì)量m不變，在盒子內(nèi)添加或去掉一些砂子，驗(yàn)證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)中， 桶內(nèi)的砂子總質(zhì)量不變，故系統(tǒng)所受的合力不變。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。解析 (1)將車內(nèi)的砂子轉(zhuǎn)移到桶中，就保證了 M m不