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1、实验四 验证牛顿运动定律 基础梳理 实验目的 1 学会用 控制变量 法研究物理规律 2 验证牛顿第二定律 3 掌握利用 图象 处理数据的方法 实验原理 探究加速度 a 与力 F 及质量 m 的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量 小车的 质量 m 不变，讨论加速度 a 与力 F 的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即力F 不变，改变小车 质量 m ，讨论加速度 a 与 m 的关系 实验器材 打点计时器 、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压 交流电源、导线、 天平 、 刻度尺 、砝码 . 实验过程 一、实验步骤 ( 如图所示 ) 1 用天平测量小盘
2、的质量 0. 2 把一端附有定滑轮的长木板放在实验台上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端，连接好电路 3 平衡摩擦力：小车的尾部挂上纸带，纸带穿过 打点计时器的限位孔，将木板无滑轮的一端稍微垫高一些，使小车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动这样小车所受重力沿木板的分力与小车所受摩擦力平衡在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下，可以近似认为小盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小 4 把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带，计算小盘和砝码的重力，即为小车所受的合外力，由纸带计算出小
3、车的加速度，并把力和对应的加速度填入表 ( 一 ) 中 5 改变小盘内砝码的个数，重复 步骤 4 ，并多做几次 6 保持小盘内的砝码个数不变，在小车放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带计算砝码和小车的总质量 M ，并由纸带计算出小车对应的加速度 7 改变小车砝码的个数，重复步骤 6 ，并将所对应的质量和加速度填入表 ( 二 ) 中 表 ( 一 ) 实验次数 加速度 a /(m s 2) 小车受力 F /N 1 2 3 4 表 ( 二 ) 实验次数 加速度 a /(m s 2) 小车和砝码的总质量 M /k g 1 2 3 4 二、数据处理 1 需要计算各种情况下所对应 的小车的加
4、速度，可使用 “ 研究匀变速直线运动 ” 的方法：先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据公式 a 算加速度 2 需要记录各组对应的加速度 a 与小车所受牵引力 F ，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度 a ，横坐标表示作用力F ，描点画 a F 图象，如果图象是一条过原点的直线，便证明加速度与作用力成正比 再记录各组对应的加速度 a 与小车和砝码总质量 M ，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度 a ，横坐标表示总质量的倒数1M，描点画 a 1如果图象是一条过原点的直线，就证明了加速度与质量成反比 误差分析 1 因实验原理不完善引起的误差 以小车、小盘和砝码整体为研究对象得 (
5、 M m ) a ；以小车为研究对象得 F 求得 F m 乙 答案 远小于 小于 大于 课堂巩固 1 在利用打点计时器和小车来做 “ 验证牛顿运动定律 ” 的实验时，下列说法中不正确的是 ( ) 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跟长木板保持平行 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 解析 本题考查实验过程中应注意的事项，选项 A 中平衡摩擦力时，不能将砝码盘及盘内砝码 ( 或小桶 ) 通过细绳拴在小车上， A 错；选项 B 、 C 、 D 符合正确的操作方法， B 、 C 、 D
6、 对 答案 2 用如图所示的装置来探究物体的加速度与力、质量的关系实验时，小盘和砝码牵引小车，使小车做初速度为零的匀加速运动 (1) 此实验 中可以不测量小车加速度的具体值，原因是_ _ _ _ _ _ _ _. (2) 通过改变 _ ，就可以改变小车所受的合力 (3) 在探究加速度与质量关系时，分别以 _ _ _ 为纵坐标、_ 为横坐标作图象，这样就能直观地看出二者关 系 答案 (1) 探究的是加速度与其他量之间的比例关系 ( 其他解答只要合理即可如：初速度为零的匀加速运动，在相同的时间内，位移与加速度成正比 ) (2) 砝码的数量 (3) a 或1或 a ) 3 用如图所示装置做 “ 验证
7、牛顿第二定律 ” 的实验现已提供了小车、一端附有定滑轮的长木板、纸带、细线、砝码、砂和砂桶、刻度尺、天平、导线 (1) 为了完成实验，还需的 实验器材是 _ _ A 直流电源 B 交流电源 C 打点计时器 D 秒表 (2) 实验中将砂和砂桶总重力大小作为绳子拉力的大小，从而在实验中引起了系统误差，为尽量减小该系统误差，可以让砂和砂桶总质量 _ 小车质量 ( 选填 “ 大于 ” 、 “ 远大于 ” 、 “ 小于 ” 、 “ 远大小 ” 或 “ 等于 ” ) ； (3) 实验中，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行，接下来将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，
8、撤去砂和砂桶，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 速运动这样做的目的是 _ _ _ ，从而使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力 解析 (1) “ 验证牛顿第二定律 ” 的实验需要打点计时器，而打点计时器利用的是交流电源，选项 确 (2) 为了减小系统误差，砂和砂桶总质量应远小于小车质量 (3) 这样做的目的是平衡摩擦力 答案 (1) B C (2) 远小于 (3) 平衡摩擦力 4 用图甲所示的装置做 “ 验证牛顿第二定律 ” 的实验 (1) 为了消除长木板与小车间摩擦力对实验的影响，必须在长木板远离滑轮的一端下面垫一块薄木板，反复移动薄木板的位置，直至不挂砂桶时小车能在
9、长木板上做 _ _ _ 运动 (2) 挂上砂桶后，某同学只改变小车的质量进行测量他根据实验得到的几组数据作出图乙的 a m 图象，请根据图乙在图丙中作出 a 1 (3) 根据图丙，可判断本次实验中小车受到的合外力大小为_ N. 解析 (1) 在 “ 验证牛顿第二定律 ” 实验中，不挂砂桶时小车做匀速直线运动，才能认为完成了平衡摩擦力 (3 ) 在 答案 的 a 1据图线的斜率可求出 F m. 答案 (1) 匀速直线 (2) 如图所示 (3)5. 2014 四川月考 如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子，沙桶的总质量 ( 包括桶以及桶内沙子质量 ) 记为 m
10、 ，小车的总质量 ( 包括小车、盒子及盒内沙子质量 ) 记为 M 。 (1) 验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些粒子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力 将该力视为合外力 F ，对应的加速度 a 则从打下的纸带上计算得出多次改变合外力 F 的大小，每次都会得到一个相应的加速度本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变以合外力 F 为横轴，以加速度 a 为纵轴，画出 a F 图象，图象是一条过原点的直线 a F 图线斜率的物理意义是 _ _ _ _ _ _ 你认为把沙桶的总重力 做合外力 F 是否合理？ 答： _ _ _.( 填 “ 合理 ” 或 “ 不合理
11、 ” ) ； 本次实验中，是否应该满足 M m 这样的条件？ 答： _ _ _ _( 填 “ 是 ” 或 “ 否 ” ) ；理由是 _ _ _ (2) 验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：保持桶内沙子质量 m 不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系本次实验中，桶内的沙 子总质量不变，故系统所受的合外力不变用图象法处理数据时，以加速度 a 为纵轴，应该以 _ _ _ 的倒数为横轴 解析 (1) 将车内的砂子转移到桶中，就保证了 M m 不变，即系统的总质量不变，研究对象是整个系统， a m m，可见 a F 图象斜率的物理意义是1M 不必满足 M m 这样的条件 (2) 向小车内添加或去掉部分砂子，是改变系统的总质量 M m ，而系统的合外力仍等于所悬挂砂桶的重力 保证了 合外力不变，所以用图象法处理数据时，以加速度 a 为纵轴，应该以 M m 倒数为横轴 答案 (1) 1M m 合理 否，因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的合外力就等于 (2) M m
