优化探究新课标高考总复习人教物理必修2133实验验证牛顿运动定律.docx
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优化探究新课标高考总复习人教物理必修2133实验验证牛顿运动定律
实验:
验证牛顿运动定律
[命题报告·教师用书独具]
知识点
题号
实验注意事项
1
实验操作步骤
2
实验数据处理
3、6
实验原理及误差分析
4
实验创新设计
5、7
1.在“验证牛顿第二定律”的实验中,以下做法正确的是( )
A.平衡摩擦力时,应将小盘用细绳通过定滑轮系在小车上
B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力
C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器的电源
D.求小车运动的加速度时,可用天平测出小盘和砝码的质量(M′和m′)以及小车质量M,直接用公式a=
g求出.
解析:
平衡摩擦力时,不能给小车任何牵引力,A错;由mgsinθ=μmgcosθ,小车质量能约去,故B对;实验时,要先接通电源,再放开小车,C错;此实验是验证牛顿第二定律,而不是应用牛顿第二定律,D错.
答案:
B
2.做“验证牛顿第二定律”实验时,按实验要求安装好器材后,应按一定的步骤进行实验,下列给出供选择的操作步骤:
A.保持小盘和其中砝码的质量不变,在小车里加砝码,测出加速度,重复几次
B.保持小车质量不变,改变小盘里砝码的质量,测出加速度,重复几次
C.用天平测出小车和小盘的质量
D.在长木板没有定滑轮的一端垫上厚度合适的垫木,平衡摩擦力
E.根据测出的数据,分别画出aF和a
图象
F.用秒表测出小车运动的时间
G.将装有砝码的小盘用细线通过定滑轮系到小车上,接通电源,释放小车,在纸带上打出一系列的点
以上步骤中,不必要的步骤是________,正确步骤的合理顺序是________.(填写代表字母)
解析:
此实验中不需要用秒表测量小车的运动时间.
答案:
F CDGBAE
3.“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示.
(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示.计时器打点的时间间隔为0.02s.从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离.该小车的加速度a=________m/s2.(结果保留两位有效数字)
(2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度.小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表:
砝码盘中砝码总重力F/N
0.196
0.392
0.588
0.784
0.980
加速度a/(m·s-2)
0.69
1.18
1.66
2.18
2.70
请根据实验数据在下图中作出aF的关系图象.
(3)根据提供的实验数据作出的aF图线不通过原点.请说明主要原因.
解析:
(1)a=
=
m/s2
=0.16m/s2或a=
=
m/s2=0.15m/s2.
(2)aF图线如图所示.
(3)小车、砝码盘和砝码组成的系统所受合力为砝码盘和砝码的总重力,而表中数据漏计了砝码盘的重力,导致合力F的测量值小于真实值,aF的图线不过原点.
答案:
(1)0.16(0.15也算对)
(2)见解析 (3)未计入砝码盘的重力
4.如图所示为“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.
(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aF关系图线(如图所示).
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)在研究加速度与力的关系时必须保持小车质量不变,才能找出二者的关系.
(2)①OA段在实验的允许范围内,图线是一条直线,因此可得出a与F成正比的关系.
②由实验的原理a=
=
可知AB段明显偏离直线是由于没有满足M车≫m钩造成的.
答案:
(1)小车的总质量(或:
小车的质量) 小车所受外力(或:
外力、合外力)
(2)①在质量不变的条件下,加速度与合力成正比 ②C
5.某同学为验证牛顿第二定律中“力与加速度”的关系,采用光电门系统来代替位移和时间测量工具,实验装置如图所示.光滑导轨水平放置,细线绕过可转动的圆形光栅连接小车与重物(重物质量远小于小车质量),挡板可以在小车到达的时候使小车停下并粘住.光电门在每次有红外线通过光栅时会记下1次信号,如图所示,圆形光栅每转过1圈将会记下10次信号.不计一切摩擦,每次都将小车由静止释放,在小车停止后,记下重物质量m、信号次数n、小车运动时间t.
(1)小车经过的位移s与光电门记下的信号次数n的关系应是________.
A.s∝n B.s∝
C.s∝n2D.s∝
(2)若实验后得到了下表所示的数据,试分析,运动时间t3应约为________.
重物质量m
信号次数n
运动时间t/s
m0
40
2.00
2m0
60
1.73
3m0
70
t3
解析:
(1)小车经过的位移大小等于相同时间里圆形光栅转动通过的弧长,设相邻两光栅间的距离为L,由关系可得:
s=nL,A正确.
(2)重物质量远小于小车质量,可近似认为细线拉力F等于重物重量,设小车质量为M,可得:
F=mg,s=
at2,
F=Ma,s=nL
联立可得:
t2∝
,由表格数据可得t3应约为1.53s(或
s).
答案:
(1)A
(2)1.53s(或
s)
6.为了探究受到空气阻力时,物体运动速度随时间的变化规律,某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置(如图所示).实验时,平衡小车与木板之间的摩擦力后,在小车上安装一薄板,以增大空气对小车运动的阻力.
(1)往砝码盘中加入一小砝码,在释放小车________(选填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源,在纸带上打出一系列的点.
(2)从纸带上选取若干计数点进行测量,得出各计数点的时间t与速度v的数据如下表:
时间t/s
0
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
速度v/(m·s-1)
0.12
0.19
0.23
0.26
0.28
0.29
请根据实验数据在图中作出小车的vt图象.
(3)通过对实验结果的分析,该同学认为:
随着运动速度的增加,小车所受的空气阻力将变大.你是否同意他的观点?
请根据vt图象简要阐述理由.
解析:
(1)打点计时器的使用是先接通电源,再松开纸带,所以应在释放小车之前接通打点计时器.
(2)根据t轴上的比例标度取每一大格为0.5s;根据速度v的数据,v轴上的比例标度取每一大格为0.05m/s;然后描点、光滑连线,得到一条斜率越来越小的曲线.
(3)因为斜率表示小车加速度的大小,斜率越来越小,说明小车的加速度越来越小,根据牛顿第二定律得出小车所受的阻力越来越大,因此同意该同学的观点.
答案:
(1)之前
(2)见下图
(3)同意.在vt图象中,速度越大时,加速度越小,小车受到的合力越小,小车所受空气阻力变大.
7.为了探究加速度与力的关系,使用如图所示的气垫导轨装置进行实验.其中G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过G1、G2光电门时,光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录,滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M,挡光片宽度为D,光电门间距离为x,牵引砝码的质量为m.回答下列问题:
(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉,使气垫导轨水平,在不增加其他仪器的情况下,如何判定调节是否到位?
答:
________________________________________________________________________.
(2)若取M=0.4kg,改变m的值,进行多次实验,以下m的取值不合适的一个是________________.
A.m1=5g B.m2=15g
C.m3=40gD.m4=400g
(3)在此实验中,需要测得每一个牵引力对应的加速度,求得的加速度的表达式为
________________________________________________________________________.
(用Δt1、Δt2、D、x表示)
解析:
(1)如果气垫导轨水平,则不挂砝码时,M应能在任意位置静止不动,或推动M后能使M匀速运动.
(2)应满足M≫m,故m4=400g不合适.
(3)由v1=
,v2=
,v
-v
=2ax
可得:
a=
.
答案:
(1)取下牵引砝码,M放在任意位置都不动;或取下牵引砝码,轻推滑行器M,数字计时器记录每一个光电门的光束被挡的时间Δt都相等
(2)D (3)a=
应用牛顿运动定律分析动力学问题的常用方法
1.合成法
合成法是根据物体受到的力,用平行四边形定则求出合力,再根据要求进行计算的方法.这种方法一般适用于物体只受两个力作用的情况.
[例1] 如图所示,在小车中悬挂一小球,若偏角θ未知,而已知摆球的质量为m,小球随小车水平向左运动的加速度为a=2g(取g=10m/s2),则绳的张力为( )
A.10
m B.
m
C.20mD.(50+8
)m
[解析] 小球受重力mg和绳的拉力FT两个力的作用,受力情况如图所示.根据平行四边形定则,重力mg和绳的拉力FT的合力F的方向水平向左,由牛顿第二定律有F=ma=2mg=20m,由勾股定理得FT=
,所以FT=10
m.
[答案] A
2.正交分解法
方法1:
以加速度为其中一个坐标轴,分解力.
(1)在牛顿第二定律中应用正交分解法时,通常以加速度a的方向为x轴正方向,与此垂直方向为y轴,建立直角坐标系,将物体所受的力按x轴及y轴方向分解,分别求得x轴和y轴方向上的合力Fx和Fy.
(2)根据力的独立性原理,各个方向上的力产生各自的加速度,得方程组Fx=ma,Fy=0.
方法2:
使较多的力在坐标轴上,分解加速度.
(1)在建立直角坐标系时,根据物体受力情况,使尽可能多的力位于两坐标轴上,分解加速度a得ax和ay.
(2)根据牛顿第二定律得方程组Fx=max,Fy=may进一步进行求解.
解题时采用哪种方法,要视具体情况灵活使用.
[例2] 空中缆车是旅游景点给游人准备的上山和进行空中参观的交通工具,如图是一质量为m的游客乘坐空中缆车沿着坡度为30°的山坡上行的示意图.开始时空中缆车平稳上行,由于故障,缆车以加速度a=g/2加速上行,则下列说法中正确的是( )
A.加速状态下游客对缆车底面的压力是平稳状态的
倍
B.加速状态下游客对缆车底面的压力是平稳状态的
倍
C.加速状态下游客受到的摩擦力与平稳状态下的相等
D.加速状态下游客受到的摩擦力比平稳状态下的大
[解析] 缆车处于平衡状态时受力如图甲,游客对底面压力F1=mg、摩擦力Ff1=0;加速状态下游客受力如图乙所示
由牛顿第二定律有:
解法一 F2sin30°-mgsin30°+Ff2cos30°=ma
F2cos30°=mgcos30°+
Ff2sin30°
解法二 Ff2=macos30°
F2-mg=masin30°
解得Ff2=
mg、F2=
mg.
[答案] AD
3.整体法与隔离法
在物理题型中,常涉及相连接的几个物体,研究对象不唯一.解答这类问题时,应优先考虑整体法,因为整体法涉及研究对象少,未知量少,所列方程少,求解简便.但对于大多数平衡问题单纯用整体法不能解决,通常采用“先整体,后隔离”的分析方法.
[例3] 如图所示,水平地面上有两块完全相同的木块A、B,水平推力F作用在木块A上,用FAB表示木块A、B间的相互作用力,下列说法可能正确的是( )
A.若地面是完全光滑的,则FAB=F
B.若地面是完全光滑的,则FAB=F/2
C.若地面是有摩擦的,且木块A、B未被推动,可能FAB=F/3
D.若地面是有摩擦的,且木块A、B被推动,则FAB=F/2
[解析] 若地面光滑,先用整体法得F=2ma,再用隔离法分析木块B有FAB=ma,则FAB=F/2.若地面是有摩擦的,且木块A、B被推动,由整体法得F-2μmg=2ma,用隔离法对木块B有FAB-μmg=ma,则FAB=F/2.若木块A、B未被推动,则FAB≤F/2.
[答案] BCD
4.假设法
假设法是解决物理问题的一种重要方法.一般依题意从某一假设入手,然后运用物理规律得出结果,再进行适当讨论,从而找出正确答案.这样解题科学严谨,合乎逻辑,而且可以拓宽思路.
例如在求解力的问题中,假定某个力存在,并假定沿某一方向,用运动规律进行分析运算,若算得的结果是正值,说明此力确实存在并与假定方向相同;若算得的结果是负值,说明此力存在,但与假定方向相反;若算得的结果是零,说明此力不存在.
[例4] 如图所示,车厢中有一倾角为30°的斜面,当火车以10m/s2的加速度沿水平方向向左运动时,斜面上的物体m与车厢相对静止,分析物体m所受摩擦力的方向.
[解析] 解法一 m受三个力作用,重力mg、弹力FN、静摩擦力Ff.Ff的方向难以确定,我们先假设Ff不存在,那么如图甲所示,mg与FN只能在水平方向产生mgtanθ的合力,此合力产生的加速度为gtan30°=
g,因
g<10m/s2,即小于题目给定的加速度,故斜面对m的静摩擦力沿斜面向下.
解法二 如图乙所示,假定m所受静摩擦力Ff沿斜面向上,将加速度a正交分解,沿斜面方向根据牛顿运动定律有:
mgsin30°-Ff=macos30°
解得Ff=-5(
-1)m,Ff为负值,说明Ff与假定方向相反,应沿斜面向下.
[答案] 方向沿斜面向下
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- 优化 探究 新课 标高 复习 物理 必修 2133 实验 验证 牛顿 运动 定律