届一轮复习人教版验证牛顿运动定律 学案.docx

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届一轮复习人教版验证牛顿运动定律学案

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=0.02s，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。

【答案】

（1）C

（2）0.6801.61（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=0.1s，匀变速直线运动的平均速度等于时间中点的瞬时速度，

=0.680m/s，由

知，

，解得

，由题中x1=5.99cm、x2=13.59cm，代入上式解得a=1.61m/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=20g，m=10g、15g、20g、25g、30g、40g

B．M=200g，m=20g、40g、60g、80g、100g、120g

C．M=400g，m=10g、15g、20g、25g、30g、40g

D．M=400g，m=20g、40g、60g、80g、100g、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g。

（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

3．某同学在实验室用如图所示的装置来研究牛顿第二定律的问题。

（1）为了尽可能减少摩擦力的影响，需要将长木板的右端垫高，直到在没有沙桶拖动下，小车拖动穿过计时器的纸带时，能在纸带上。

（2）在____________条件下，可以认为绳对小车的拉力近似等于沙和沙桶的总重力。

（3）在此实验中，此同学先接通计时器的电源，再放开纸带，如图是在m=100g，M=1g情况下打出的一条纸带，O为起点，A、B、C为过程中的三个相邻的计数点，相邻的计数点之间有四个点没有标出，有关数据如图所示，其中hA=42.05cm，hB=51.55cm，hC=62.00cm，则小车的加速度为a=m/s2。

（保留2位有效数字）

（4）在“验证牛顿运动定律”的实验中，在研究加速度a与小车的质量M的关系时，由于没有注意始终满足

（2）问的条件，结果得到的图象应是下图中的

【答案】

（1）打出间距均匀的点

（2）沙桶质量远小于小车总质量

（3）0.95（4）D

【解析】

（1）实验中要研究牛顿第二定律，需要平衡摩擦力，应通过右侧垫高的方法使小车受到的摩擦力与重力的分力相互平衡，平衡的依据就是在小车没有沙桶拖动下，小车做匀速直线运动，即小车拖动穿过计时器的纸带时，能在纸带上打出间距均匀的点；

（2）在沙桶质量远小于小车总质量条件下，可以认为细绳对小车的拉力近似等于沙和沙桶的总重力。

（3）小车的加速度为

。

（4）随着1/M增大，小车质量在减小，因此小车质量不再满足远大于砂和小砂桶的质量，加速度不可能一直均匀增大，加速度的增大幅度将逐渐减小，最后趋近与定值g，故ABC错误，D正确。

4、

（1）在研究小车的加速度a和小车的质量M的关系时，由于始终没有满足M远大于m（m为砂桶及砂桶中砂的质量）的条件，结果得到的图象应是如下图中的图___________。

（2）在研究小车的加速度a和拉力F的关系时，由于始终没有满足M远大于m的关系，结果应是下图中的图___________。

【答案】

（1）D

（2）D

【解析】

（1）当沙桶和沙的质量较小时，绳子的拉力可等于沙桶和沙的重力，当质量较大时，绳子的拉力与沙桶的总重力相差较大，所以加速度会偏小，并且质量越大，相差就越大，就会出现D中的情况。

（2）同理

（1）。