高考物理三轮冲刺导学案验证牛顿运动定律含解析

高考物理三轮冲刺导学案验证牛顿运动定律含解析

三轮冲刺导学案---验证牛顿运动定律 一、实验目的 ‎1．学会用控制变量法研究物理规律。‎ ‎2．学会灵活运用图象法处理物理问题的方法。‎ ‎3．探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律。‎ 二、实验原理 ‎1．保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系。‎ ‎2．保持合外力不变，确定加速度与质量的关系。‎ ‎3．作出a－F图象和a－图象，确定其关系。‎ 三、实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺。‎ 四、实验步骤 ‎1．用天平测出小车和盛有砝码的小盘的质量m和m′，把数据记录在表格中。‎ ‎2．把实验器材安装好，平衡摩擦力。‎ ‎3．在小盘里放入适量的砝码，把砝码和小盘的质量m′记录在表格中。‎ ‎4．保持小车的质量不变，改变砝码的质量，按上面步骤再做5次实验。‎ ‎5．算出每条纸带对应的加速度的值并记录在表格中。‎ ‎6．用纵坐标表示加速度a ‎，横坐标表示合外力，即砝码和小盘的总重力m′g，根据实验数据在坐标平面上描出相应的点，作图线。‎ ‎7．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车质量的倒数，在坐标系中根据实验数据描出相应的点并作图线。‎ 五、数据处理 ‎1．利用Δx=aT2及逐差法求a。‎ ‎2．以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比。‎ ‎3．以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果该线过原点，就能判定a与m成反比。‎ 六、误差分析 ‎1．因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力m′g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。‎ ‎2．摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。‎ 七、注意事项 ‎1．平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车受到的阻力。在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着打点的纸带匀速运动。‎ ‎2．不重复平衡摩擦力。‎ ‎3．实验条件：m≫m′。‎ ‎4．一先一后一按：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，再释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。‎ 典例精析 ‎1、某同学用如图所示的实验装置验证牛顿第二定律，请回答下列有关此实验的问题：‎ ‎（1）该同学在实验前准备了图中所示的实验装置及下列辅助器材：‎ A．交流电源、导线 B．天平（含配套砝码）‎ C．秒表 D．刻度尺 E．细线、砂和小砂桶 其中不必要的器材是 （填代号）。‎ ‎（2）打点计时器在小车拖动的纸带上打下一系列点迹，以此记录小车的运动情况。其中一部分纸带上的点迹情况如图甲所示，已知打点计时器打点的时间间隔T=0.02 s，测得A点到B、C点的距离分别为x1=5.99 cm、x2=13.59 cm，则在打下点迹B时，小车运动的速度vB=m/s；小车做匀加速直线运动的加速度a= m/s2。（结果保留三位有效数字）‎ ‎（3）在验证“质量一定，加速度a与合外力F的关系”时，某学生根据实验数据作出了如图乙所示的a-F图象，其中图线不过原点的原因是 ‎ ‎，图线在末端弯曲的原因是 。‎ ‎【答案】（1）C （2）0.680 1.61 （3）平衡摩擦力过度 砂和小砂桶的总质量m不远小于小车和砝码的总质量M ‎【解析】（1）由于打点计时器就是一个计时装置，所以不需要秒表；‎ ‎（2）由图中知T=0.1 s，匀变速直线运动的平均速度等于时间中点的瞬时速度，=0.680 m/s，由知，，解得，由题中x1=5.99 cm、x2=13.59 cm，代入上式解得a=1.61 m/s2。‎ ‎（3）由题图乙知，当F=0时，a≠0，说明重力的分力产生了加速度，原因是平衡摩擦力过度，所以图线不过原点的原因是平衡摩擦力过度；以小车、砂和小砂桶整体为研究对象得：，以小车为研究对象得，联立解得，当时，在图线中，F越大，mg越大，就越不满足的条件，所以图线在末端弯曲。‎ ‎2、如图为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图。盘和重物的总质量为m，小车和砝码的总质量为M。实验中用盘和重物总重力的大小作为细线对小车拉力的大小。‎ ‎（1）实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端定滑轮的高度，使细线与长木板平行。接下来还需要进行的一项操作是 （填写所选选项的序号）。‎ A．将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节m的大小，使小车在盘和重物的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 B．将长木板的右端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去盘和重物，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 C．将长木板的右端垫起适当的高度，撤去纸带以及盘和重物，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动 ‎（2）实验中要进行质量m和M的选取，以下最合理的一组是 。‎ A．M=20 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 ‎ ‎（3）如图是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，量出相邻的计数点之间的距离分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6。已知相邻的计数点之间的时间间隔为T，关于小车的加速度a的计算方法，产生误差较小的算法是（ ）‎ A． B．‎ C． D．‎ ‎【答案】（1）B （2）C （3）D ‎【解析】（1）平衡摩擦力既要平衡纸带和打点计时器之间的摩擦，还有平衡小车和木板之间的摩擦，所以平衡摩擦力时一定要连上纸带，在没有拉力作用下若能匀速直线运动，说明摩擦力已经平衡，要保证没有拉力，就要去除盘和重物。‎ ‎（2）实验设计中以砝码和盘的重力作为小车合力，事实上，小车和砝码盘一起运动，加速度，绳子拉力即小车合力，只有当时，绳子拉力才近似等于砝码和盘的重力，对照选项符合只有选项C。‎ ‎（3）根据，纸带数据给出6个连续的间距，任意两个都可以计算出加速度，但是不够准确，有误差，所以选择六个数据都用上，，，，整理可得，选项D对。‎ 对点训练 ‎1．某实验小组在实验室做“验证牛顿运动定律”实验：‎ ‎（1）甲同学在验证加速度和物体的质量的关系时，控制物体所受合外力不变。‎ ‎①实验中，描图象而不描a-m图象的理是 。‎ ‎②根据实验数据得到图象如图所示，由此你得出的结论为 。‎ ‎（2）乙同学在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变对小车的拉力，由实验数据作出的a–F图象如图乙所示，图象与a轴的截距的物理意义是 ；小车的质量为 kg。（保留两位有效数字）‎ ‎【答案】（1）①a–m的图线为曲线、不便于发现规律，而图线为直线，偏于发现规律 ②合外力不变时，加速度与质量成反比 （2）不加外力时，重力的分力与摩擦力的合力产生的加速度 1.8（1.7~1.9均正确）‎ ‎【解析】（1）①实验中，描图象而不描a–m图象的理是，a–m的图线为曲线、不便于发现规律，而图线为直线，便于发现规律；②根据实验数据得到图象如题图甲所示，由此得出的结论为，合外力不变时，加速度与质量成反比。‎ ‎（2）图象与a轴的截距的物理意义是，不加外力时，重力的分力与摩擦力的合力产生的加速度。图线的斜率的倒数为小车的质量，即。‎ ‎2．在“验证牛顿运动定律”的实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带打上的点计算出。在利用打点计时器和小车做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，‎ ‎（1）下列说法中正确的是_____________。‎ A．平衡摩擦力时，应将砝码盘及盘内砝码通过定滑轮拴在小车上 B．连接砝码盘和小车的细绳应与长木板保持平行 C．平衡摩擦力后，长木板的位置不能移动 D．小车释放前应靠近打点计时器，且应先接通电源再释放小车 ‎（2）当M与m 的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力。‎ ‎（3）一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据。为了比较容易地检查出加速度a与质量M的关系，应该做a与________的图象。‎ ‎（4）如图（a），甲同学根据测量数据做出的a－F图线，说明实验存在的问题是________。‎ ‎（5）乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的a－F图线，如图（b）所示，两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同的是________。‎ ‎【答案】（1）BCD （2）M≫m （3） （4）平衡摩擦力时木板倾角过大 （5）两小车及车上砝码的总质量不同 ‎【解析】（1）平衡摩擦力时，应将绳从小车上拿去，轻轻推动小车，小车沿木板运动，通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动，故A错误；若连接砝码盘和小车的细绳与长木板不保持平行，则细绳的拉力分力不等于小车的外力，这样导致误差增大，故B正确；每次改变小车的质量时，小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消，以防摩擦力不再平衡，故C正确；实验时，应先放开小车，再接通打点计时器电源，由于小车运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于数据的采集和处理，同时要求开始小车要靠近打点计时器，故D正确。‎ ‎（2）以整体为研究对象有，解得，以M 为研究对象有细绳的拉力，显然要有F=mg，必有M与m的大小关系满足M≫m，才能保证绳子的拉力等于砝码的重力。‎ ‎（3）由牛顿第二定律可知加速度与质量成反比，而反比例函数图象是曲线，不容易判断自变量与因变量之间的关系，故不能做的图象。但，故a与成正比，而正比例函数图象是过原点的一条直线，就比较容易判断自变量与因变量之间的关系，故作a–的图象。‎ ‎（4）图中没有拉力时产生了加速度，说明平衡摩擦力时木板倾角过大。‎ ‎（5）由题中图（b）知在拉力相同的情况下，a乙>a丙，根据F=ma，可得，a–F图象的斜率等于物体的质量，且m乙

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