人教版高三物理总复习 实验4 验证牛顿运动定律课件 鲁科.ppt

实验四：验证牛顿运动定律实验四：验证牛顿运动定律2021/8/9 星期一1知识要点归纳知识要点归纳实验实验目的目的1学会用控制变量法研究物理规律；学会用控制变量法研究物理规律；2验证牛顿运动定律；验证牛顿运动定律；3掌握利用图象处理数据的方法掌握利用图象处理数据的方法2021/8/9 星期一2实验原理实验原理1验证牛顿运动定律的实验依据是牛顿第二定验证牛顿运动定律的实验依据是牛顿第二定律，即律，即FMa，当研究对象有两个以上的参量发，当研究对象有两个以上的参量发生变化时，设法控制某些参量使之不变，而研究生变化时，设法控制某些参量使之不变，而研究另外两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量另外两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量法本实验中有力法本实验中有力F、质量、质量M和加速度和加速度a三个变量，三个变量，研究加速度研究加速度a与与F及及M的关系时，先控制质量的关系时，先控制质量M不不变，讨论加速度变，讨论加速度a与力与力F的关系；然后再控制力的关系；然后再控制力F不变，讨论加速度不变，讨论加速度a与质量与质量M的关系的关系2021/8/9 星期一32实验中需要测量的物理量和测量方法：小车实验中需要测量的物理量和测量方法：小车及砝码的总质量及砝码的总质量M；用天平测出小车受到的拉；用天平测出小车受到的拉力力F认为等于托盘和砝码的总重力认为等于托盘和砝码的总重力mg.小车的加小车的加速度速度a利用纸带根据利用纸带根据saT2计算计算2021/8/9 星期一4实验器材实验器材打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、重物、夹子、细绳、低压有定滑轮的长木板、重物、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平交流电源、导线、天平(带有一套砝码带有一套砝码)、刻度、刻度尺尺2021/8/9 星期一5过程分析导引过程分析导引一、实验步骤一、实验步骤1用天平测出小车和砝码的总质量用天平测出小车和砝码的总质量M，小盘和，小盘和砝码的总质量砝码的总质量m，把数值记录下来，把数值记录下来2按如图按如图341所示把实验器材安装好，只是所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车施加不把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车施加牵引力牵引力2021/8/9 星期一6图图3412021/8/9 星期一73平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板反复移动木板的位置，直至小车在垫一块木板反复移动木板的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态这时，斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡所受的重力在斜面方向上的分力平衡4把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码带上标上纸带号码2021/8/9 星期一85保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质量量的砝码，把小盘和砝码的总质量m记录下来，记录下来，重复步骤重复步骤4.在小桶内再放入适量砝码，记录下小盘在小桶内再放入适量砝码，记录下小盘和砝码的总质量和砝码的总质量m，再重复步骤，再重复步骤4.6重复步骤重复步骤5两次，得到三条纸带两次，得到三条纸带7在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值上的加速度的值2021/8/9 星期一98用纵坐标表示加速度用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力，横坐标表示作用力F，作用力，作用力F的大小等于小盘和砝码的总重力，根的大小等于小盘和砝码的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比速度与作用力成正比9保持小盘和砝码的质量不变，在小车上加砝保持小盘和砝码的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点如果这些验结果在坐标平面上画出相应的点如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比与质量成反比2021/8/9 星期一10二、注意事项二、注意事项1一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力，在平衡摩擦力时，不正好平衡小车受的摩擦阻力，在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动2实验步骤实验步骤2、3不需要重复，即整个实验平衡了不需要重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力擦力2021/8/9 星期一113每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力受到的拉力4改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车小车，且应在小车到达滑轮前按住小车5作图象时，要使尽可能多的点分布在所作直作图象时，要使尽可能多的点分布在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧直线两侧2021/8/9 星期一126作图时两轴标度比例要选择适当，各量须采用作图时两轴标度比例要选择适当，各量须采用国际单位这样作图线时，坐标点间距不至于过国际单位这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些密，误差会小些7为提高测量精度，应舍掉纸带上开头比较密集为提高测量精度，应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点可以的点，在后边便于测量的地方找一个起点可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起，每五个点标出一个计数点，而相邻计数点间起，每五个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为的时间间隔为T0.1 s.三、误差分析三、误差分析1质量的测量误差，纸带上打点计时器打点间隔质量的测量误差，纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差会造成误差2021/8/9 星期一132因实验原理不完善造成误差因实验原理不完善造成误差本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力重力)，存在系统误差，存在系统误差小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小误差就越小3平衡摩擦力不准造成误差平衡摩擦力不准造成误差在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外；其他的都跟正在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外；其他的都跟正式实验一样式实验一样(比如要挂好纸带，接通打点计时器比如要挂好纸带，接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等距离相等2021/8/9 星期一14实验典例精析实验典例精析题型一题型一实验原理和步骤的考查实验原理和步骤的考查 在验证牛顿运动定律的实验中，采用如在验证牛顿运动定律的实验中，采用如图图342所示的实验装置，小车及车中的砝码所示的实验装置，小车及车中的砝码质量用质量用M表示，盘及盘中的砝码质量用表示，盘及盘中的砝码质量用m表示，表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点计算出：时器打上的点计算出：例例例例1 12021/8/9 星期一15图图3422021/8/9 星期一16(1)当当M与与m的大小关系满足的大小关系满足_时，才可以认为时，才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力(2)一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定，探一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定，探究加速度与质量的关系，以下做法错误的是究加速度与质量的关系，以下做法错误的是()A平衡摩擦力时，应将盘及盘中的砝码用细绳通过平衡摩擦力时，应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上定滑轮系在小车上B每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力C实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源D小车运动的加速度可用天平测出小车运动的加速度可用天平测出m以及小车质量以及小车质量M，直接用公式，直接用公式amg/M求出求出2021/8/9 星期一17(3)做该实验时，按实验要求装置好器材后，应按一做该实验时，按实验要求装置好器材后，应按一定的步骤进行实验，下列给出供选择的操作步骤：定的步骤进行实验，下列给出供选择的操作步骤：A保持小盘和砝码的质量不变，在小车里加砝码，保持小盘和砝码的质量不变，在小车里加砝码，测出加速度，重复几次测出加速度，重复几次B保持小车质量不变，改变小盘里砝码的质量，保持小车质量不变，改变小盘里砝码的质量，测出加速度，重复几次测出加速度，重复几次C用天平测出小车的质量用天平测出小车的质量D在长木板没有定滑轮的一端垫上厚度合适的垫在长木板没有定滑轮的一端垫上厚度合适的垫木，平衡摩擦力木，平衡摩擦力2021/8/9 星期一182021/8/9 星期一19【解解析析】(1)验证牛牛顿运运动定定律律实验，为了了减减小小系系统误差差，必必须满足足mM，才才可可以以认为绳子子对小小车的拉力大小等于的拉力大小等于盘和砝和砝码的重力的重力(2)平平衡衡摩摩擦擦力力时，不不能能将将盘及及盘中中的的砝砝码用用细绳通通过定定滑滑轮系系在在小小车上上，每每次次改改变小小车的的质量量时，不不需需要要重重新新平平衡衡摩摩擦擦力力，实验时，应先先接接通通打打点点计时器器电源源，再再放放开开小小车，小小车运运动的的加加速速度度应由由打打点点计时器打出的器打出的纸带求出，求出，选项A、C、D错误(3)实验中中不不需需用用秒秒表表测出出小小车运运动的的时间，因因此此F是不必要的步是不必要的步骤，实验的的顺序是序是DCGABE.2021/8/9 星期一20【答案答案】(1)mM(2)ACD(3)FDCGABE【规律律总结】对探探究究实验重重点点要要掌掌握握其其原原理理，引引导学学生生动手手完完成成实验，体体验探探究究的的过程程是是理理解解原理和掌握步原理和掌握步骤的关的关键2021/8/9 星期一21题型二题型二实验数据处理的考查实验数据处理的考查 (2011年福建押题卷年福建押题卷)某学习小组的同学在某学习小组的同学在用打点计时器验证牛顿运动定律的实验中，不改用打点计时器验证牛顿运动定律的实验中，不改变拉力，只改变物体的质量，得到了如下表所示变拉力，只改变物体的质量，得到了如下表所示的几组数据，其中第的几组数据，其中第3组数据还未算出加速度，但组数据还未算出加速度，但对应该组的纸带打出了，如图对应该组的纸带打出了，如图343所示所示(长度长度单位：单位：cm)，图中各点为每打，图中各点为每打5个点选出的计数点个点选出的计数点(两计数点间还有两计数点间还有4个点未标出个点未标出).例例例例2 22021/8/9 星期一22图图3432021/8/9 星期一23实验序序号号123456小小车质量量/g2003004005006001000小小车加加速度速度/(m/s2)2.001.330.790.670.40小小车质量倒数量倒数/kg15.003.332.502.001.671.002021/8/9 星期一24(1)请由纸带上的数据，计算出缺少的加速度值并填请由纸带上的数据，计算出缺少的加速度值并填入表中入表中(小数点后保留两位小数小数点后保留两位小数)(2)请在如图请在如图344所示坐标系中，将表中各组数所示坐标系中，将表中各组数据用小黑点描在坐标系上，并作出平滑的图线据用小黑点描在坐标系上，并作出平滑的图线图图3442021/8/9 星期一25(3)由图象得出的结论是：由图象得出的结论是：_.2021/8/9 星期一26(2)在坐标纸上描点画图如图在坐标纸上描点画图如图345所示所示(3)在力在力F一定的情况下，由图一定的情况下，由图345知运动物体知运动物体的加速度与物体质量的倒数成正比的加速度与物体质量的倒数成正比图图3452021/8/9 星期一27【答案答案】见解析解析【规律律总结】本本题主主要要考考查实验数数据据的的处理理，逐逐差差法法是是纸带类问题计算算加加速速度度的的常常用用方方法法，要要分分清清纸带上上两两点点间距距离离的的意意义及及两两点点间的的时间图象象法法是是实验数数据据处理理的的常常用用方方法法，比比较直直观形形象象，做做图时比比例例选取取要要适适当当，点点不不要要过密密2021/8/9 星期一28题型三题型三创新实验创新实验 (2010年高考山东理综卷年高考山东理综卷)某同学设计了如某同学设计了如图图346所示的装置来探究加速度与力的关系所示的装置来探究加速度与力的关系弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接在桌面端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接在桌面上画出两条平行线上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距，并测出间距d.开始开始时将木板置于时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小再将木板放回以此表示滑动摩擦力的大小再将木板放回例例例例3 32021/8/9 星期一29原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到运动到PQ处的时间处的时间t.图图3462021/8/9 星期一30(1)木板的加速度可以用木板的加速度可以用d、t表示为表示为a_；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是是(一种即可一种即可)_(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹与弹簧秤示数簧秤示数F1的关系下列图象能表示该同学实验结的关系下列图象能表示该同学实验结果的是果的是_图图3472021/8/9 星期一31(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是法相比，它的优点是_a可以改变滑动摩擦力的大小可以改变滑动摩擦力的大小b可以更方便地获取多组实验数据可以更方便地获取多组实验数据c可以比较精确地测出摩擦力的大小可以比较精确地测出摩擦力的大小d可以获得更大的加速度以提高实验精度可以获得更大的加速度以提高实验精度2021/8/9 星期一322021/8/9 星期一33【规律律总结】创新新实验一一般般是是实验装装置置的的改改进，实验数数据据处理理方方法法和和步步骤的的简化化，理理解解好好实验原理是完成原理是完成实验的前提的前提2021/8/9 星期一342021/8/9 星期一35