- 2021-05-13 发布 |
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文档介绍
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乙查看更多
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