【实验优化演练优化方案】2016届高三物理大一轮复习课件：实验四验证牛顿运动定律

第三章
牛顿运动定律
[总结提升 ]
M (1)实验中，满足 m< 即可． 10
(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．
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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 1 2 3 4 加速度a/(m· s－ 2) 小车受力F/N
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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．
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(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200 g，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：
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置探究加速度与力、质量的关系．
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AD (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
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．
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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
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[解析 ] 表．
(1)由于打点计时器就是一个计时装置，所以不需要秒
(2)由图甲知 T＝0.1 s， 匀变速直线运动的平均速度等于中间时刻 x2 的瞬时速度， vB＝ ＝ 0.680 m/s，由 Δx＝ aT2 知，(x2－x1)－ x1 2T x2－2x1 2 ＝ aT ，解得 a＝ ，由题中 x1＝ 5.99 cm、 x2＝13.59 cm， T2 代入上式解得 a＝1.61 m/s2.
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(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 非线性 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 存在摩擦力 ______________________________________________ ．
(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 调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 ________________________________________________ ， 钩码的质量应满足的条件是 远小于小车的质量 ________________________________________________ ．
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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
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(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 平衡摩擦力过度 __________________________________________________ ，
图线在末端弯曲的原因是 砂和小砂桶的总质量m不远小于小车和砝码的总质量M ___________________________________________________.
板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲 小于 大于 μ (填“大于”、“小于” __________ m ，μ ________
乙 甲 乙．
或“等于”)
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[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． mg (2)由整体法和隔离法得到细绳中的拉力 F＝ Ma＝ M ＝ M＋ m 1 mg， 可见， 当砝码桶和桶内砝码的总质量 m 远小于木块和 m 1＋ M 木块上砝码的总质量 M 时，可得 F≈ mg. F (3)不平衡摩擦力，则 F－ μmg＝ma， a＝ － μg，图象的斜率大 m 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 <m 乙 ， μ 甲 >μ 乙．
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．
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考点一 考点二
对实验原理和注意事项的考查 对数据处理与误差分析的考查
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考点一 对实验原理和注意事项的考查 (2013· 高考天津卷)某实验小组利用图示的装
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 远小于 木块和木块上砝码的总质量．(填“远大于”、 量__________
“远小于”或“近似等于”)
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(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牛顿运动定律
实验四
验证牛顿运动定律
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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．
考点二
对数据处理与误差分析的考查
(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：
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(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 C 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0.02 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 0.680 运动的速度vB＝ ________m/s；小车做匀加速直线运动的加速度a ＝1.61 ________m/s2.(结果保留三位有效数字)
[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．
M [总结提升] a－F 图线发生弯曲的原因是不满足 m＜ . 10
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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．
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(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 ＋ m)a，以小车为研究对象得 F＝ Ma，联立解得 F＝ mg M＋ m 1 ＝ mg， 当 M≫ m 时 F≈ mg， 在图线中，F 越大， mg 越大， m 1＋ M 就越不满足 M≫ m 的条件，所以图线在末端弯曲．
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．
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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 1 骤 (1)和(3)，作 a－ 图象． m
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[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．
表(二) 实验次数 1 2 3 4 加速度a/(m· s－ 2 ) 小车和砝码 的总质量m/kg
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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．
1 5．以 a 为纵坐标， 为横坐标，描点、连线，如果该线过原点， m 就能判定 a 与 m 成反比．
1 3．作出 a－F 图象和 a－ 图象，确定其关系． m
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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：