实验优化演练优化方案届高三物理大一轮复习讲义实验四验证牛顿运动定律.docx
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实验优化演练优化方案届高三物理大一轮复习讲义实验四验证牛顿运动定律
实验四 验证牛顿运动定律
[学生用书P51]
一、实验目的
1．学会用控制变量法研究物理规律．
2．探究加速度与力、质量的关系．
3．掌握灵活运用图象处理问题的方法．
二、实验原理（见实验原理图）
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，探究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．测量：
用天平测量小盘和砝码的质量m′和小车的质量m.
2．安装：
按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上（即不给小车牵引力）
3．平衡摩擦力：
在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑．
4．操作：
（1）小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码．
（2）保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤
（1）．
（3）在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.
（4）描点作图，作a－F的图象．
（5）保持砝码和小盘的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤
（1）和（3），作a－图象．
一、数据处理
1．保持小车质量不变时，计算各次小盘和砝码的重力（作为小车的合力）及对应纸带的加速度，填入表
（一）中．
表
（一）
实验次数
加速度a/（m·s－2）
小车受力F/N
1
2
3
4
2.保持小盘内的砝码个数不变时，计算各次小车和砝码的总质量及对应纸带的加速度，填入表
（二）中．
表
（二）
实验次数
加速度a/（m·s－2）
小车和砝码
的总质量m/kg
1
2
3
4
3.利用Δx＝aT2及逐差法求a.
4．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．
5．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．
二、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和纸带受到的阻力．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，后释放小车，且应在小车到达定滑轮前按住小车．
5．作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上．不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．
6．作图时两轴标度比例要选择适当．各量需采用国际单位．
三、误差分析
1．系统误差：
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．偶然误差：
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．
考点一 对实验原理和注意事项的考查
[学生用书P52]
（2013·高考天津卷）某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系．
（1）下列做法正确的是________（填字母代号）．
A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行
B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上
C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源
D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度
（2）为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________木块和木块上砝码的总质量．（填“远大于”、“远小于”或“近似等于”）
（3）甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图中甲、乙两条直线．设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙．（填“大于”、“小于”或“等于”）
[解析]
（1）实验中细绳要保持与长木板平行，A项正确；平衡摩擦力时不能将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上，这样无法平衡摩擦力，B项错误；实验时应先接通电源再放开木块，C项错误；平衡摩擦力后，改变木块上的砝码的质量后不再需要重新平衡摩擦力，D项正确．
（2）由整体法和隔离法得到细绳中的拉力F＝Ma＝M＝mg，可见，当砝码桶和桶内砝码的总质量m远小于木块和木块上砝码的总质量M时，可得F≈mg.
（3）不平衡摩擦力，则F－μmg＝ma，a＝－μg，图象的斜率大的木块的质量小，纵轴截距绝对值大的动摩擦因数大，因此m甲μ乙．
[答案]
（1）AD
（2）远小于 （3）小于 大于
[总结提升]
（1）实验中，满足m<即可．
（2）a－F图象不过原点的原因是平衡摩擦没有做好，但仍是直线．
（3）a－F图象的斜率表示小车的质量．
考点二 对数据处理与误差分析的考查
[学生用书P52]
（2015·海淀区模拟）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为0.02s，测得A点到B、C点的距离分别为x1＝5.99cm、x2＝13.59cm，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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
[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）由图甲知T＝0.1s，匀变速直线运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，vB＝＝0.680m/s，由Δx＝aT2知，（x2－x1）－x1＝aT2，解得a＝，由题中x1＝5.99cm、x2＝13.59cm，代入上式解得a＝1.61m/s2.
（3）由图乙知，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：
mg＝（M＋m）a，以小车为研究对象得F＝Ma，联立解得F＝mg＝mg，当M≫m时F≈mg，在图线中，F越大，mg越大，就越不满足M≫m的条件，所以图线在末端弯曲．
[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
[总结提升] a－F图线发生弯曲的原因是不满足m＜.
[学生用书P53]
2016年高考命题角度：
1．用气垫导轨替代木板，不需平衡摩擦，避免了摩擦对实验的影响．
2．用光电门计时获取实验数据、计算加速度更简便．
3．用传感器与计算机相连，得到小车加速度，使数据处理更加快速、准确．
（2014·高考新课标全国卷Ⅰ）某同学利用图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图乙所示．实验中小车（含发射器）的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到．回答下列问题：
（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成________（填“线性”或“非线性”）关系．
（2）由图乙可知，a－m图线不经过原点，可能的原因是______________________________________________．
（3）若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是________________________________________________________________________，
钩码的质量应满足的条件是________________________________________________________________________．
[解析]
（1）根据题图乙坐标系中给出的数据，连线，可知小车的加速度与钩码的质量成非线性关系．
（2）根据题图乙中数据，小车受到钩码的拉力的作用，但没有加速度，故未平衡摩擦力或倾角过小，没有完全平衡摩擦力．
（3）在实验中要求“直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力”需要满足两个条件：
①平衡摩擦力；②钩码的质量远小于小车（含发射器）的质量．
[答案]
（1）非线性
（2）存在摩擦力 （3）调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车的质量
[点评] 该实验属于实验器材的创新，但设置的问题仍是立足“课本实验”，无延伸．
[学生用书P53]
1．在利用打点计时器和小车来做“验证牛顿运动定律”的实验时，下列说法中不正确的是（ ）
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跟长木板保持平行
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，且应先接电源再释放小车
解析：
选A.本题考查实验过程中应注意的事项，选项A中平衡摩擦力时，不能将砝码盘及盘内砝码（或小桶）拴在小车上，A错；选项B、C、D符合正确的操作方法，B、C、D对．
2．如图甲为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度和力的关系”的实验装置．
甲
乙
（1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持________不变，用钩码所受的重力作为________，用DIS测小车的加速度．
（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出a－F关系图线（如图乙所示）．
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是____________________．
②此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是________．
A．小车与轨道之间存在摩擦
B．导轨保持了水平状态
C．所挂钩码的总质量太大
D．所用小车的质量太大
解析：
（1）因为要探究“加速度和力的关系”，所以应保持小车的总质量不变，钩码所受的重力作为小车所受的外力．
（2）由于OA段a－F关系图线为一倾斜的直线，所以在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；由实验原理：
mg＝Ma得：
a＝＝，而实际上a′＝，可见AB段明显偏离直线是没有满足M≫m造成的．
答案：
（1）小车的总质量 小车所受的外力
（2）①在质量不变的情况下，加速度与外力成正
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