2018高中物理第四章牛顿运动定律4.4创新性实验揭秘学案新人教版必修1.doc

创新性实验揭秘

一、考点突破
此部分内容在高考物理中的要求如下：
知识点
考纲要求
题型
分值
探究加速度与力、质量的关系实验的改进
会灵活运用图象法处理物理问题；探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律
实验题
6～9分

二、重难点提示
重点：探究加速度与力、质量的关系的基本方法。
难点：创新实验原理的分析。

高考在考查这部分知识的时候，有的时候还会创设新的物理情境、利用新的测量手段、迁移实验原理，这就是创新性实验，解决这类问题，关键是要对基本实验熟悉，洞悉实验原理，对比分析寻找思路。
创新性实验或者对实验的改进，其出发点应该是减小或避免实验的原理误差和操作误差对实验结果的影响。
因为原实验装置的特殊性，如打点计时器与纸带间的摩擦、纸带难以与平板完全平行、小车的摩擦力难以平衡、利用纸带计算数据时的误差等。这些可以用更精确的设备来替换，如气垫导轨、光电门等。
原理误差主要是实验设计造成的，在创新实验的时候，可以从不同的角度去解决拉力测量的问题，如用力学传感器直接测量。

例题1 某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图所示。已知小车质量M＝214.6 g，砝码盘质量m0＝7.8 g，所使用的打点计时器交流电频率f＝50 Hz，其实验步骤是：

A. 按图中所示安装好实验装置；
B. 调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；
C. 取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；
D. 将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；
E. 重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复B－D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度。
回答下列问题：
（1）按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？________（填“是”或“否”）。
（2）实验中打出的其中一条纸带如图所示，由该纸带可求得小车的加速度a＝________m/s2。

（3）某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中，如下表。
次数
1
2
3
4
5
砝码盘中砝码的重力F/N
0.10
0.20
0.29
0.39
0.49
小车的加速度a/（m·s－2）
0.88
1.44
1.84
2.38
2.89
他根据表中的数据画出a－F图象（如图），造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是________________________________________________________________________，从该图线延长线与横轴的交点，可求出的物理量是______________________，其大小为________。

思路分析：（1）取下砝码盘后，小车加速运动时所受的合外力即为砝码和砝码盘的总重力，而实验中的研究对象是小车，因此，实验中不必使砝码及砝码盘的质量远小于小车的质量。
（2）由逐差法可得a＝×10－2 m/s2＝0.88 m/s2。
（3）实验中本应有（m0＋m）g＝Ma，由于实验中未计入砝码盘质量m0，测得的图象与真实图象相比沿F轴左移m0g，图象将不过原点。故图象与坐标轴交点表示砝码盘的重力，m0g＝0.08 N。
答案：（1）否　（2）0.88　（3）在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力（只要涉及“未考虑砝码质量的因素”就算正确）　砝码盘的重力　0.08 N

例题2 某探究性学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘，实验首先保持轨道水平，通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力，再进行后面的操作，并在实验中获得以下测量数据：小车、力传感器和挡光板的总质量M，平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0，挡光板的宽度d，光电门1和2的中心距离s。

（1）该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量？__________。（填“需要”或“不需要”）
（2）实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度d，如下图所示，d＝________ mm。

（3）某次实验过程：力传感器的读数为F，小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2（小车通过光电门2后，砝码盘才落地），已知重力加速度为g，则该实验要验证的表达式是________________。
思路分析：（1）由于实验装置图中已给出了力传感器，即不需要用砝码和砝码盘的总重力替代拉力，所以不需要满足m0<M车。
（2）d＝5 mm＋0.05×10 mm＝5.50 mm。
（3）小车在光电门1处的速度为v1＝，在光电门2处的速度为v2＝，
所以根据v－v＝2as，可得：a＝。
由F＝Ma可知，F＝。
答案：　（1）不需要　（2）5.50　（3）F＝

【综合拓展】近似法、控制变量法、平衡摩擦力法和化曲为直法
1. 近似法：在探究加速度与力、质量的关系实验中，近似法是指绳对小车的拉力近似等于绳另一端连接的小盘和砝码的总重力，近似法要在小盘和砝码的总重力远小于小车的重力的情况下才能用。
2. 控制变量法：控制变量法是指分别研究加速度与力、加速度与质量关系时用到的方法，在实验中的具体体现是：研究加速度与力的关系时，保持小车质量不变；研究加速度与质量的关系时，保持小盘和砝码的总重力不变。
3. 平衡摩擦力法：平衡摩擦力法是指通过调整斜面倾角，让小车重力沿斜面的分力与摩擦力相抵消，使小车受到的合外力等于绳对小车的拉力，体现在实验中是让小车不挂小盘时能在斜面上匀速运动。
4. 化曲为直法：化曲为直法是指处理数据时，不作a－m图象而作a－图象，反映在图象中就是把原来的曲线变成倾斜的直线。
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