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2012屆高考物理驗證牛頓運動定律實驗復(fù)習(xí)教案
編輯:
逍遙路
關(guān)鍵詞:
高三
來源:
高中學(xué)習(xí)網(wǎng)
實驗4 驗證牛頓運動定律
牛頓第二定律實驗—改“控制變量法”為“補償法”
江蘇省特級教師 戴儒京
著名的也是最重要的“牛頓第二定律實驗”,以課程標準為指導(dǎo)而編寫的教科書與以前的教科書比較, 把教師演示實驗變?yōu)閷W(xué)生探索性實驗。多年以來,都是教師演示實驗,由老師做、老師講,教科書不把實驗的設(shè)計展示給學(xué)生,而課標教科書則詳細寫出了實驗程序和設(shè)計過程。在實驗修訂本中,關(guān)于牛頓第二定律的實驗的敘述只用了半頁400多字,而在課標教科書中,用了單獨的一節(jié)即第四章第2節(jié):實驗:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,洋洋灑灑3頁半,約2000多字, 是原來的5倍多。
實驗修訂本中,有下列內(nèi)容(2項):
?實驗裝置
?實驗方法
課標教科書中,有下列內(nèi)容(7項):
?加速度與力的關(guān)系
?加速度與質(zhì)量的關(guān)系
?制定實驗方案時的兩個問題
?怎樣測量或比較物體的加速度
?怎樣提供和測量物體所受的恒力
?參考案例
?怎樣由實驗結(jié)果得出結(jié)論
通過比較可以知道:實驗修訂本中的內(nèi)容只是課標教科書中“怎樣測量或比較物體的加速度”和“參考案例”兩項內(nèi)容,也就是說:課標教科書比實驗修訂本增加了實驗設(shè)計方法的內(nèi)容:加速度與力的關(guān)系和加速度與質(zhì)量的關(guān)系,即控制變量法。以前是老師補充的,現(xiàn)在寫在教科書中,使學(xué)生不僅知道怎樣做實驗,還明白為什么這樣做實驗,即知其然知其所以然。
除文字不同外,插圖也不同。實驗修訂本中,只有一幅圖即圖3-5 研究牛頓第二定律的實驗裝置圖(第50頁),而在課標教科書中除實驗裝置圖(第78頁圖4.2-4及圖4.2-5)外還有圖4.2-2加速度與質(zhì)量的關(guān)系圖(a-m圖)和圖4.2-4加速度與質(zhì)量的倒數(shù)的關(guān)系圖(a- 圖)(第76頁),為學(xué)生作圖做了示范。
筆者經(jīng)過仔細、認真的研究,認為“牛頓第二定律實驗”還有改進的空間,且有改進的必要。那就是把“控制變量法”改為“補賞法”。
一、“控制變量法”實驗
1.實驗裝置
圖1為俯視圖,圖2為側(cè)視圖。
2.實驗過程
(1)加速度跟力的關(guān)系
使用兩個相同的小車,滿足m1=m2;在連小車前的繩端分別掛一個鉤碼和兩個鉤碼(設(shè)鉤碼質(zhì)量為 ),使F1=2F2.將二小車拉至同一起點處,記下位置.放手后經(jīng)一段時間使二小車同時停止,滿足時間t相同.改變F重復(fù)實驗,
讀出二小車的位移,填入表1:
表1
根據(jù) ,在 相等的情況下, 與 成正比。從表1可得:
比較可得,在誤差允許的范圍內(nèi),a∝F.
(2)加速度跟質(zhì)量的關(guān)系
將小車1上加0.2kg砝碼,使m1=2m2;二小車前面繩端都掛一個鉤碼,使F1=F2.將二小車拉至同一起點處放開經(jīng)一段時間使其同時停止,讀出各小車位移記入表2:
表2
3.定律導(dǎo)出
(1)由上述實驗結(jié)果 , ,可得出物體的加速度跟作用力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,即牛頓第二定律的基本關(guān)系,寫成數(shù)學(xué)表達式為
(2)上式可寫為等式F=kma,式中k為比例常數(shù).如果公式中的物理量選擇合適的單位,就可以使k=1,則公式更為簡單.
在國際單位制中,力的單位是牛頓.牛頓這個單位就是根據(jù)牛頓第二定律來定義的:使質(zhì)量是1kg的物體產(chǎn)生1m/s2的加速度的力為1N,即1N=1kg?m/s2.
可見,如果都用國際單位制中的單位,就可以使k=1,那么公式則簡化為F=ma,這就是牛頓第二定律的公式.
(3)當物體受到幾個力的作用時,牛頓第二定律也是正確的,不過這時F代表的是物體所受外力的合力.牛頓第二定律更一般的表述是:
物體的加速度跟所受的外力的合力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同.
公式是:
F合=ma.
二、系統(tǒng)誤差分析
1.用數(shù)字計算法分析誤差
在實驗中,小車(質(zhì)量為 )受的拉力實際上不等于鉤碼的重力( ),設(shè)為 ,則有
,解得
從結(jié)果可以看出,小車受的拉力 實際上小于鉤碼的重力( ),而鉤碼的重力( )是產(chǎn)生小車和鉤碼二者的加速度的力,而不是產(chǎn)生小車的加速度的力。
在第(1)步中的第1次實驗中,小車受的拉力 ,但在實驗中認為小車受的拉力等于鉤碼的重力 ,則相對誤差為 。
在第(1)步中的第2次實驗中,小車受的拉力 ,但在實驗中認為小車受的拉力等于鉤碼的重力 ,則相對誤差為 。
可見,在小車的質(zhì)量相等的條件下,鉤碼的質(zhì)量越小,相對誤差越小。
但是,實驗中認為第1次實驗小車受的拉力(兩個鉤碼)是第2次實驗小車受的拉力(一個鉤碼)的2倍,但實際是不是2倍,是 倍,相對誤差為 。
在第(2)步中的第1次實驗中,小車受的拉力 ,但在實驗中認為小車受的拉力等于鉤碼的重力 ,則相對誤差為 。
在第(2)步中的第2次實驗中,小車受的拉力 ,但在實驗中認為小車受的拉力等于鉤碼的重力 ,則相對誤差為 。
可見,在鉤碼的質(zhì)量相等的條件下,小車的質(zhì)量越大,相對誤差越小。
但是,實驗中認為兩次實驗小車受的拉力相等(都是兩個鉤碼),但實際是不相等的,其中第1次是0.18N,第2次是0.19N,相對誤差為 。
2.用公式法分析誤差
根據(jù)公式 ,得相對誤差為 ,也就是說,小車質(zhì)量 比鉤碼質(zhì)量 大得越多,相對誤差越小,即實驗條件是:只有當 >> 時,才能認為小車受力等于鉤碼的重力。
但無論如何,高達 的誤差,是不能令人信服的。也就是說,上述實驗是不可取的,只能把鉤碼的質(zhì)量降到 及以下,因為一般認為,所謂在誤差范圍內(nèi),是指誤差在 左右或以下。
這樣做實驗的主要問題還不在誤差上,主要問題在:實驗給同學(xué)造成一個錯覺,一個嚴重的錯覺,那就是學(xué)生覺得,小車受的拉力等于鉤碼的重力,這個錯覺的來源還在于:初中他們學(xué)靜止和勻速運動時,小車受的拉力確實等于鉤碼的重力。這個錯覺很難糾正,以至于在很多題中體現(xiàn)出來。
三、實驗的改進——把“控制變量法”改為“補償法”
所謂“補賞法”,是這樣做實驗:
第1次,仍然是小車的質(zhì)量為 ,鉤碼的質(zhì)量為 ,而第二次改為:把掛著的兩個鉤碼其中的1個移到小車上,則小車的質(zhì)量為 ,鉤碼的質(zhì)量為 。這樣,小車受的拉力,原來是 ,后來變?yōu)?。這樣, (因為 ),比較接近2:1了。
而小車受力與質(zhì)量的比值分別為:第1次, ,第2次, ,兩次的比值為: ,用數(shù)字計算則為: = , = ,我們可以理直氣壯地說,小車的加速度與受力與質(zhì)量的比值成正比。這樣還可以畢其功于一役,不要分“加速度與力的關(guān)系”和“加速度與質(zhì)量的關(guān)系”兩步做實驗了。最重要的還是,不要讓學(xué)生認為:小車受的拉力等于鉤碼的重力。
1.(2010年高考江蘇卷第11題).(10分)為了探究受到空氣阻力時,物體運動速度隨時間的變化規(guī)律,某同學(xué)采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實驗裝置(如圖所示)。實驗時,平衡小車與木板之間的摩擦力后,在小車上安裝一薄板,以增大空氣對小車運動的阻力。
(1)往砝碼盤中加入一小砝碼,在釋放小車 ▲ (選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源,在紙帶上打出一系列的點。
(2)從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量,得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表:
請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出小車的v-t圖像。
(3)通過對實驗結(jié)果的分析,該同學(xué)認為:隨著運動速度的增加,小車所受的空氣阻力將變大,你是否同意他的觀點?請根據(jù)v-t圖象簡要闡述理由。
【答案】(1)之前 (2)(見右圖)
(3)同意 在v-t圖象中,速度越大時,加速度越小,小車受到的合力越小,則小車受空氣阻力越大。
2.(2010年高考山東卷第23題)(1)某同學(xué)設(shè)計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系。彈簧秤固定在一合適的木板上,桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪,細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接。在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ,并測出間距 。開始時將木板置于MN處,現(xiàn)緩慢向瓶中加水,直到木板剛剛開始運動為止,記下彈簧秤的示數(shù)F0,以此表示滑動摩擦力的大小。再將木板放回原處并按住,繼續(xù)向瓶中加水后,記下彈簧秤的示數(shù)F1,然后釋放木板,并用秒表記下木板運動到PQ處的時間 。
①木板的加速度可以用 、 表示為 = ;為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) 。
②改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實驗,確定加速度 與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系。下列圖象能表示該同學(xué)實驗結(jié)果的是 。
③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比,它的優(yōu)點是 。
a.可以改變滑動摩擦力的大小
b.可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù)
c.可以比較精確地測出摩擦力的大小
d.可以獲得更大的加速度以提高實驗精度
【解析】(1)① ②C 。③BC
3.2007江蘇物理卷第13題(13分)
如題13(a)圖,質(zhì)量為M的滑塊A放在氣墊導(dǎo)軌B上,C為位移傳感器,它能將滑塊A到傳感器C的距離數(shù)據(jù)實時傳送到計算機上,經(jīng)計算機處理后在屏幕上顯示滑塊A的位移-時間(s-t)圖象和速率-時間(v-t)圖象。整個裝置置于高度可調(diào)節(jié)的斜面上,斜面的長度為了l、高度為h。(取重力加速度g=9.8m/s2,結(jié)果可保留一位有效數(shù)字)
(1)現(xiàn)給滑塊A一沿氣墊導(dǎo)軌向上的初速度,A的v-t圖線如題13(b)圖所示。從圖線可得滑塊A下滑時的加速度a= m/s2 ,摩擦力對滑塊A運動的影響 。(填“明顯,不可忽略”或“不明顯,可忽略”)
(2)此裝置還可用來驗證牛頓第二定律。實驗時通過改變 ,可驗證質(zhì)量一定時,加速度與力成正比的關(guān)系;實驗時通過改變 ,可驗證力一定時,加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系。
(3)將氣墊導(dǎo)軌換成滑板,滑塊A換成滑塊A’,給滑塊A’一沿滑板向上的初速度,A’的s-t圖線如題13(c)圖。圖線不對稱是由于 造成的,通過圖線可求得滑板的傾角θ= 。ㄓ梅慈呛瘮(shù)表示),滑塊與滑板間的動摩擦因數(shù)μ=
【答案】(1)6 不明顯,可忽略
(2)斜面高度h 滑塊A的質(zhì)量M及斜面高度h,且使Mh不變
。ǎ常┗瑒幽Σ亮Α 。 ~ 都算對
。埃常ǎ埃病埃炊妓銓Γ
【解析】(1)下滑時,加速度為 ;上滑時,加速度為 摩擦力對滑塊A運動的影響不明顯,可忽略。
(2)改變斜面高度h, 則改變斜面的傾角,則改變產(chǎn)生加速度的力( ),可驗證質(zhì)量一定時,加速度與力成正比的關(guān)系;改變滑塊A的質(zhì)量M及斜面的高度h,且使Mh不變,因為 ,使Mh不變,則F不變,可驗證力一定時,加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系。
(3)圖線不對稱是由于滑動摩擦力造成的,因為在滑塊上滑時,加速度的大小為 ,在滑塊下滑時,加速度的大小為 ,在滑動摩擦力不可忽略的情況下,二者不等, 圖象不對稱。從題13(b)圖中得 ,又 ,所以 = 。( 都對)。從題13(c)圖中上滑階段讀出, , ,根據(jù) 得 ,代入 = ,已知 ,則 ,解得 。
4.2007海南物理卷第14題.
現(xiàn)要驗證“當質(zhì)量一定時,物體運動的加速度與它所受的合外力成正比”這一物理規(guī)律。給定的器材如下:一傾角可以調(diào)節(jié)的長斜面(如圖)、小車、計時器一個、米尺。
(1)填入適當?shù)墓交蛭淖,完善以下實驗步驟(不考慮摩擦力的影響):
① 小車自斜面上方一固定點A1從靜止開始下滑至斜面底端A2,記下所用的時間
② 用米尺測量A1與A2之間的距離s,則小車的加速度 ____________。
③ 用米尺測量A1相對于A2的高h。設(shè)小車所受重力為mg,則小車所受的合外力F=________。
④ 改變_________________,重復(fù)上述測量。
⑤ 以h為橫坐標, 為縱坐標,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作表作圖。如能得到一條過原點的直線,則可以驗證“當質(zhì)量一定時,物體運動的加速度與它所受的合外力成正比”這一規(guī)律。
(2)在探究如何消除上述實驗中摩擦阻力影響的過程中,某同學(xué)設(shè)計的方案是:
① 調(diào)節(jié)斜面傾角,使小車在斜面上勻速下滑。測量此時A1點相對于斜面底端A2的高度ho。
② 進行(1)中的各項操作。
③ 計算與作圖時用(h-h(huán)o)代替h!
對此方案有以下幾種評論意見:
A. 方案正確可行
B. 方案的理論依據(jù)正確,但利用所給的器材無法確定小車在斜面上是否做勻速運動。
C. 方案的理論依據(jù)有問題,小車所受摩擦力與斜面傾角有關(guān)。
其中合理的意見是________。
【答案】(1)、 、 、苄泵鎯A角(或填h的數(shù)值)
(2) C
【解析】要驗證“當質(zhì)量一定時,物體運動的加速度與它所受的合外力成正比”, ,即 = ,只要以h為橫坐標, 為縱坐標,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作表作圖,如能得到一條過原點的直線,便可。
5 .實驗裝置如圖1所示;一木塊放在水平長木板上,左側(cè)拴有一細軟線,跨過固定在木板邊緣的滑輪與一重物相連,木塊右側(cè)與打點計時器的紙帶相連,在重物牽引下,木塊在木板上向左運動,重物落地后,木塊繼續(xù)向左做勻減速運動,圖2給出了重物落地后,打點計時器在紙帶上打出的一些點,試根據(jù)給出的數(shù)據(jù),求木塊與木板間的摩擦因數(shù)?。要求寫出主要的運算過程,結(jié)果保留2位有效數(shù)字。(打點計時器所用交流電頻率為50Hz,不計紙帶與木塊間的拉力。取重力加速度g=10m/s2)
【答案】由給出的數(shù)據(jù)可知,重物落地后,木塊在連續(xù)相等的時間T內(nèi)的位移分別是:
以a 表示加速度,根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律,有
重物落地后木塊只受摩擦力的作用,以 表示木塊的質(zhì)量,根據(jù)牛頓定律,有
6.江蘇省2009高考題“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示.
(1)在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中,打出了一條紙袋如圖乙所示。計時器大點的時間間隔為0.02s.從比較清晰的點起,每5個點取一個計數(shù)點,量出相鄰計數(shù)點之間的距離。該小車的加速度a=______m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
(2)平衡摩擦力后,將5個相同的砝碼都放在小車上.掛上砝碼盤,然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,測量小車的加速度。小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數(shù)據(jù)如下表:
砝碼盤中砝碼總重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980
加速度a(m?s-2)0.691.181.662.182.70
請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出a-F的關(guān)系圖像.
(3)根據(jù)提供的試驗數(shù)據(jù)作出的 -F圖線不通過原點,請說明主要原因。
【答案】11. (1) 0.16 (0.15也算對) (2)(見右圖)
(3)未計入砝碼盤的重力
7.(上海2009高考題) 如圖為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機)研究加速度和力的關(guān)系”的實驗裝置。
(1)在該實驗中必須采用控制變量法,應(yīng)保持___________不變,用鉤碼所受的重力作為___________,用DIS測小車的加速度。
(2)改變所掛鉤碼的數(shù)量,多次重復(fù)測量。在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a-F關(guān)系圖線(如圖所示)。
①分析此圖線的OA段可得出的實驗結(jié)論是_________________________________。
②(單選題)此圖線的AB段明顯偏離直線,造成此誤差的主要原因是()
(A)小車與軌道之間存在摩擦 (B)導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài)
(C)所掛鉤碼的總質(zhì)量太大(D)所用小車的質(zhì)量太大
答案:17.(1)小車的總質(zhì)量,小車所受外力,(2)①在質(zhì)量不變的條件下,加速度與外力成正比,②C
8.全國2009高考題
某同學(xué)為了探究物體在斜面上的運動時摩擦力與斜面傾角的關(guān)系,設(shè)計實驗裝置如圖。長直平板一端放在水平桌面上,另一端架在一物塊上。在平板上標出A、B兩點,
B點處放置一光電門,用光電計時器記錄滑塊通過光電門時擋光的時間。
實驗步驟如下:
①用游標卡尺測量滑塊的擋光長度d,用天平測量滑塊的質(zhì)量m;
②用直尺測量AB之間的距離s,A點到水平桌面的垂直距離h1,B點到水平桌面的垂直距離h2;
③將滑塊從A點靜止釋放,由光電計時器讀出滑塊的擋光
時間t1
④重復(fù)步驟③數(shù)次,并求擋光時間的平均值 ;
⑤利用所測數(shù)據(jù)求出摩擦力f和斜面傾角的余弦值 ;
⑥多次改變斜面的傾角,重復(fù)實驗步驟②③④⑤,做出f- 關(guān)系曲線。
(1)用測量的物理量完成下列各式(重力加速度為g):
①斜面傾角的余弦 = ;
②滑塊通過光電門時的速度v= ;
③滑塊運動時的加速度a= ;
④滑塊運動時所受到的摩擦阻力f= ;
(2)測量滑塊擋光長度的游標卡尺讀數(shù)如圖所示,
讀得d= 。
【答案】(1)① ② ③ ④
(2)3.62cm
【解析】(1)物塊在斜面上做初速度為零的勻加速直線運動,受重力、支持力、滑動摩擦力,如圖所示① 根據(jù)三角形關(guān)系可得到 ,②根據(jù) ③根據(jù)運動學(xué)公式 ,有 ,即有
④根據(jù)牛頓第二定律 ,則有 .
(2) 在游標卡尺中,主尺上是3.6cm,在游標尺上恰好是第1條刻度線與主尺對齊,再考慮到卡尺是10分度,所以讀數(shù)為3.6cm+0.1×1mm=3.61cm或者3.62cm也對.
9.( 2008年寧夏第22.Ⅱ、題) 測量滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)
物理小組在一次探究活動中測量滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù).實驗裝置如圖,一表面粗糙的木板固定在水平桌面上,一端裝有定滑輪;木板上有一滑塊,其一端與電磁打點計時器的紙帶相連,另一端通過跨過定滑輪的細線與托盤連接.打點計時器使用的交流電源的頻率為50 Hz.開始實驗時,在托盤中放入適量砝碼,滑塊開始做勻加速運動,在紙帶上打出一系列小點.
⑴上圖給出的是實驗中獲取的一條紙帶的一部分:0、1、2、3、4、5、6、7是計數(shù)點,每相鄰兩計數(shù)點間還有4個打點(圖中未標出),計數(shù)點間的距離如圖所示.根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計算的加速度a= (保留三位有效數(shù)字).
⑵回答下列兩個問題:
①為測量動摩擦因數(shù),下列物理量中還應(yīng)測量的有 .(填入所選物理量前的字母)
A.木板的長度l B.木板的質(zhì)量m1 C.滑塊的質(zhì)量m2
D.托盤和砝碼的總質(zhì)量m3 E.滑塊運動的時間t
②測量①中所選定的物理量時需要的實驗器材是 .
⑶滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ= (用被測物理量的字母表示,重力加速度為g).與真實值相比,測量的動摩擦因數(shù) (填“偏大”或“偏小” ).寫出支持你的看法的一個論據(jù):
.
解析: [1] ,其中 , ,
,代入數(shù)據(jù)得 .
[2] ① 先推出公式(見[3]) 知選CD ②天平
[3] 根據(jù)牛頓定律
解得
偏大,因為紙帶與打點計時器也有摩擦力.
答案:22.Ⅱ、⑴0.495~0.497 m/s2; ⑵①CD; ②天平;
⑶ ,
10.(2010高考山東理綜第23題).(12分)
(1)某同學(xué)設(shè)計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系。彈簧秤固定在一合適的木板上,桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪,細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接。在桌面上畫出兩條平行線 、 ,并測出間距 開始時將木板置于 處,現(xiàn)緩慢向瓶中加水,直到木板剛剛開始運動為止,記下彈簧秤的示數(shù) ,以此表示滑動摩擦力的大小。再將木板放回原處并按住,繼續(xù)向瓶中加水后,記下彈簧秤的示數(shù) ,然后釋放木板,并用秒表記下木板運動到 處的時間 。
①木板的加速度可以用 、 表示為 = ;為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) 。
② 改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實驗,確定加速度a與彈簧秤示數(shù) 的關(guān)系。下列圖象能表示該同學(xué)實驗結(jié)果的是 。
③ 用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比,它的優(yōu)點是 。
a.可以改變滑動摩擦力的大小
b.可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù)
c.可以比較精確地測出摩擦力的大小
d.可以獲得更大的加速度以提高實驗精度
10. (23.(1))【解析】①
②C 。
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