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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí)講義 驗證牛頓運動定律 【實驗?zāi)康摹? 1．學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律． 2．驗證牛頓運動定律． 3．掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法． 【實驗原理】 探究加速度a與力F及質(zhì)量M的關(guān)系時，應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量——小車的質(zhì)量M不變，討論加速度a與力F的關(guān)系，再控制砝碼和小盤的質(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． 【實驗器材】 打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、砝碼、夾子、細繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺． 一、實驗步驟 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驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上遠離滑輪的一端，連接好電路． 3．平衡摩擦力：小車的尾部掛上紙帶，紙帶穿過打點計時器的限位孔，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動．這樣小車所受重力沿木板的分力與小車所受滑動摩擦力平衡．在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下，可以近似認為小盤和砝碼的總重力大小等于小車所受的合外力的大?。? 4．把小車停在打點計時器處，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．計算小盤和砝碼的重力，即為小車所受的合外力，由紙帶計算出小車的加速度，并把力和對應(yīng)的加速度記錄在紙帶上(或表格中)． 5．改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù)，重復(fù)步驟4，并多做幾次． 6．保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變，在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量，讓小車在木板上滑動打出紙帶．計算砝碼和小車的總質(zhì)量M，并由紙帶計算出小車對應(yīng)的加速度． 7．改變小車上砝碼的個數(shù)，重復(fù)步驟6，所對應(yīng)的質(zhì)量和加速度也需記錄． 二、數(shù)據(jù)處理 1．把小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度填在下表中： 由以上數(shù)據(jù)畫出它的a－F關(guān)系圖象如下圖所示． 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： 三、實驗中應(yīng)注意的事項 1．一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個合適的斜面，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，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運動． 2．實驗步驟2、3不需要重復(fù)，即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(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． 3．每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠大于小盤和砝碼的總質(zhì)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(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，再放開小車，且應(yīng)在小車到達滑輪前按住小車． 5．作圖象時，要使盡可能多的點在所作直線上，不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)． 6．作圖時兩軸標度比例要選擇適當(dāng)．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，可以采取下列措施： (1)應(yīng)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，每隔四個點標出一個計數(shù)點，而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T＝0.1秒 四、誤差分析及實驗改進 1．誤差分析 (1)質(zhì)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，拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差． (2)因?qū)嶒炘聿煌晟圃斐烧`差：本實驗中用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力)，存在系統(tǒng)誤差，小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量，誤差就越大；反之，小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，誤差就越小． (3)平衡摩擦力不準造成誤差：在平衡摩擦力時，除了不掛小盤外，其他的都跟正式實驗一樣(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點的距離相等． 2．實驗改進 本實驗中可以用氣墊導(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，借助于計算機來處理． 【實驗典例精析】 1、 實驗原理和誤差分析 例1、(xx年高考上海卷)如圖所示為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機)研究加速度和力的關(guān)系”的實驗裝置． (1)在該實驗中必須采用控制變量法，應(yīng)保持________不變，用鉤碼所受的重力作為________，用DIS測小車的加速度． (2)改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復(fù)測量．在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a－F關(guān)系圖線(如圖所示)． ①分析此圖線的OA段可得出的實驗結(jié)論是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. ②(單選題)此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是(　　) A．小車與軌道之間存在摩擦 B．導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài) C．所掛鉤碼的總質(zhì)量太大 D．所用小車的質(zhì)量太大 【答案】　(1)小車的總質(zhì)量(或：小車的質(zhì)量) 小車所受外力(或：外力、合外力) (2)①在質(zhì)量不變的條件下，加速度與合外力成正比?、贑 二、實驗數(shù)據(jù)的處理 例2、(xx年六安模擬)某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置來探究當(dāng)合外力一定時，物體運動的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系． (1)由圖中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x＝24 cm，由圖中游標卡尺測得遮光條的寬度d＝________cm.該實驗小組在做實驗時，將滑塊從圖所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器可以讀出遮光條通過光電門1的時間Δt1，遮光條通過光電門2的時間Δt2，則滑塊經(jīng)過光電門1時的瞬時速度的表達式v1＝________，滑塊經(jīng)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(zhì)量總共做了6組實驗，得到如表所示的實驗數(shù)據(jù)．通過分析表中數(shù)據(jù)后，你得出的結(jié)論是________． (3)現(xiàn)需通過圖象進一步驗證你的結(jié)論，請利用表格數(shù)據(jù)，在圖所示坐標系中描點作出相應(yīng)圖象． 【解析】　(1)由圖可知：d＝5 mm＋0.1 mm2＝5.2 mm＝0.52 cm. (2)在合外力不變的情況下，物體運動的加速度跟物體的質(zhì)量成反比，當(dāng)合外力一定時，在誤差允許的范圍內(nèi)，物體質(zhì)量和加速度的乘積近似相等． (3)如圖所示 xx屆高三物理一輪精細化復(fù)習(xí)測試題（驗證牛頓運動定律） 1、1．在利用打點計時器和小車來做“驗證牛頓第二定律”的實驗時，下列說法中不正確的是(　　) A．平衡摩擦力時，應(yīng)將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過定滑輪拴在小車上 B．連接砝碼盤和小車的細繩應(yīng)跟長木板保持平行 C．平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動 D．小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器，且應(yīng)先接電源再釋放小車 2．關(guān)于驗證牛頓第二定律的實驗，下列說法中符合實際的是(　　) A．通過同時改變小車的質(zhì)量m及受到的拉力F的研究，能歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 B．通過保持小車質(zhì)量不變，只改變小車的拉力的研究，就可以歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 C．通過保持小車受力不變，只改變小車質(zhì)量的研究，就可以得出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 D．先不改變小車質(zhì)量，研究加速度與力的關(guān)系；再不改變力，研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，最后歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 3．(xx年福建三明市模擬)用如圖所示的裝置做“驗證牛頓第二定律”實驗，甲同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的小車的加速度a和小車所受拉力F的圖象為圖中的直線Ⅰ，乙同學(xué)畫出的aF圖象為下圖中的直線Ⅱ.直線Ⅰ、Ⅱ在縱軸或橫軸上的截距較大，明顯超出了誤差范圍，下面給出了關(guān)于形成這種情況原因的四種解釋，其中可能正確的是(　　) A．實驗前甲同學(xué)沒有平衡摩擦力 B．甲同學(xué)在平衡摩擦力時，把長木板的末端抬得過高了 C．實驗前乙同學(xué)沒有平衡摩擦力 D．乙同學(xué)在平衡摩擦力時，把長木板的末端抬得過高了 4.如圖所示是在驗證牛頓第二定律實驗中，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描繪出的三條a－F圖線，下列說法中正確的是(　　) A．三條傾斜直線所對應(yīng)繩的拉力相同 B．三條傾斜直線所對應(yīng)的小車和砝碼的總質(zhì)量不同 C．直線1對應(yīng)的小車和砝碼的總質(zhì)量最大 D．直線3對應(yīng)的小車和砝碼的總質(zhì)量最大 5．在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，在研究加速度a與小車的質(zhì)量M的關(guān)系時，由于沒有注意始終滿足M?m的條件，結(jié)果得到的圖象應(yīng)是圖中的(　　) 6.(xx年池州模擬)如圖所示，在驗證牛頓第二定律的演示實驗中，若1、2兩個相同的小車所受拉力分別為F1、F2，車中所放砝碼的質(zhì)量分別為m1、m2，打開夾子后經(jīng)過相同的時間兩車的位移分別為x1、x2，則在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，有(　　) A．當(dāng)m1＝m2、F1＝2F2時，x1＝2x2 B．當(dāng)m1＝m2、F1＝2F2時，x2＝2x1 C．當(dāng)m1＝2m2、F1＝F2時，x1＝2x2 D．當(dāng)m1＝2m2、F1＝F2時，x2＝2x1 7．(xx年高考江蘇卷)“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置如圖甲所示． (1)在平衡小車與桌面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＝__________ 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： 砝碼盤中砝碼總重力F(N) 0.196 0.392 0.588 0.784 0.980 加速度a(ms－2) 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出a－F的關(guān)系圖象． (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． 8．(xx年高考山東卷)某同學(xué)設(shè)計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系．彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接．在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動摩擦力的大?。賹⒛景宸呕卦幉醋?，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t. (1)木板的加速度可以用d、t表示為a＝________；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可)________． (2)改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實驗，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系．下列圖象中能表示該同學(xué)實驗結(jié)果的是________． (3)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是________． A．可以改變滑動摩擦力的大小 B．可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) C．可以比較精確地測出摩擦力的大小 D．可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 9、(xx安徽卷，21Ⅰ)圖為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖．砂和砂桶的總質(zhì)量為m，小車和砝碼的總質(zhì)量為M.實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大?。? (1)(單選)實驗中，為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力，先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度，使細線與長木板平行．接下來還需要進行的一項操作是 (　　)． 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)m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．將長木板的一端墊起適當(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．將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，撤去紙帶以及砂和砂桶，輕推小車，觀 察判斷小車是否做勻速運動 (2)(單選)實驗中要進行質(zhì)量m和M的選取，以下最合理的一組是 (　　)． A．M＝200 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g B．M＝200 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g C．M＝400 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g D．M＝400 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g (3)圖3－4－14是實驗中得到的一條紙帶，A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數(shù)點，相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出，量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為：sAB＝4.22 cm、sBC＝4.65 cm、sCD＝5.08 cm、sDE＝5.49 cm，sEF＝5.91 cm，sFG＝6.34 cm.已知打點計時器的工作頻率為50 Hz，則小車的加速度大小a＝________m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)． 10、（xx?河南鄭州市一模）為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，現(xiàn)提供如圖所示實驗裝置。請思考探究思路并回答下列問題： （1）為了消除小車與水平之間摩擦力的影響應(yīng)采取的做法是（ ） A.將木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，是小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 B.將木板帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，使小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 C.使木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運動 D.使木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車能夠靜止在木板上 （2）在實驗中，得到一條打點的紙帶，如圖所示，已知相鄰計數(shù)點的時間間隔為T，且間距S1、S2 、S3、 S4 、S5 、S6已量出，則小車加速度的表達式為a=＿＿＿＿＿＿； （3）有一組同學(xué)保持小車及車中的砝碼質(zhì)量一定，探究加速度a與所受外力F的關(guān)系，他們在軌道水平和傾斜兩種情況下分別做了實驗，得到了兩條a—F圖線，如圖所示。圖線＿＿＿＿＿＿是在軌道傾斜情況下得到的（選填①或②）；小車及車中的砝碼總質(zhì)量m=＿＿＿＿＿＿kg。 11、（xx廣西四市聯(lián)考模擬）某實驗小組利用如圖甲所示的氣墊導(dǎo)軌實驗裝置來探究合力一定時，物體的加速度與質(zhì)量之間的關(guān)系。 （1）做實驗時，將滑塊從圖甲所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器（圖中未畫出）可讀出遮光條通過光電門1、2的時間分別為△t1、△t2；用刻度尺測得兩個光電門中心之間的距離x，用游標卡尺測得遮光條寬度d。則滑塊經(jīng)過光電門1時的速度表達式v1= ；滑塊加速度的表達式a= 。（以上表達式均用已知字母表示）。如圖乙所示，若用20分度的游標卡尺測量遮光條的寬度，其讀數(shù)為 mm。 （2）為了保持滑塊所受的合力不變，可改變滑塊質(zhì)量M和氣墊導(dǎo)軌右端高度h（見圖甲）。關(guān)于“改變滑塊質(zhì)量M和氣墊導(dǎo)軌右端的高度h的正確操作方法是 A．M增大時，h增大，以保持二者乘積增大 B．M增大時，h減小，以保持二者乘積不變 C．M減小時，h增大，以保持二者乘積不變 D．M減小時，h減小，以保持二者乘積減小