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1、实验4 验证牛顿运动定律,-2-,一、实验目的 1.学会用控制变量法研究物理量的关系。 2.探究加速度与力、质量的关系。 3.掌握利用图象处理数据的方法。 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,探究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 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。,-3-,四、实验步骤 1.称量质量用天平测量小盘的质量m1和小车的质量m2。 2.安装器材按如图所示装置安装器材(只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上)。3.平衡摩擦
2、力在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。,-4-,4.测量加速度 (1)保持小车的质量不变,打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力由纸带计算出小车的加速度,并填入表中。改变小盘内砝码的个数,并多做几次。 (2)保持小盘内的砝码个数不变,在小车上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m0,并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表中。改变小车上砝码的个数,多做几次。,-5-,五、数据处理 1.利用x=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
3、正比。 3.以a为纵坐标, 为横坐标,描点、连线,如果该线为过原点的直线,就能判定a与m成反比。 六、误差分析 1.实验原理不完善:本实验用小盘和砝码的总重力mg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。,-6-,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和纸带受到的阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动。 2.不重复平衡摩擦力。 3.实验条件:m0m。 4.一先一后一按
4、:开始时小车应尽量靠近打点计时器,先接通电源,后释放小车,在小车到达滑轮前按住小车。,-7-,命题点一,命题点二,教材原型实验 例1(2018山东枣庄质检)用图(a)所示的实验装置验证牛顿第二定律。 (1)某同学通过实验得到如图(b)所示的a-F图象,造成这一结果的原因是在平衡摩擦力时 。图中a0表示的是 时小车的加速度。,-8-,命题点一,命题点二,(2)某同学得到如图(c)所示的纸带。已知打点计时器电源频率为50 Hz。A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点。s=sDG-sAD= cm。由此可算出小车的加速度a= m/s2(保留两位有效数字)。,-9-,命题点一,命题点二,答案:(
5、1)长木板的倾角过大 未挂砂桶 (2)1.80 5.0 解析:(1)根据图象(b)可知,当没有悬挂砂桶时,小车已经产生加速度,由此可知在操作个过程中,平衡摩擦力过度即长木板的倾角过大,图中a0表示的是未挂砂桶时小车的加速度大小。 (2)根据刻度尺的示数可知:s=sDG-sAD=3.90 cm-2.10 cm=1.80 cm=0.018 0 m,时间间隔为T=0.06 s, 由匀变速直线运动的推论:x=aT2可知加速度,思维点拨(1)实验前要恰好平衡摩擦力,不能平衡摩擦力过度或不足,分析图示图象答题。 (2)根据图示刻度尺求出两点间的距离,然后应用匀变速直线运动的推论x=aT2求出加速度。,-1
6、0-,命题点一,命题点二,实验拓展创新 以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器和实验数据的处理设置题目,或者通过实验原理的拓展来设置题目。 一、实验器材的改进,-11-,命题点一,命题点二,二、数据测量的改进三、实验的拓展延伸 以验证牛顿运动定律为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。,-12-,命题点一,命题点二,例2(2016全国卷)某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010 kg。实验步
7、骤如下:,-13-,命题点一,命题点二,(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。 (2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图象,经数据处理后可得到相应的加速度a。,-14-,命题点一,命题点二,(3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图(b)所示:由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。,-15-,命题点一,命题点二,(4)利用表
8、中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图象。从图象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。,-16-,命题点一,命题点二,(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为 kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8 ms-2)。 (6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是 (填入正确选项前的标号)。 A.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大,答案:(3)0.40(0.370.49均对) (4)a-n图线见解析 (5)0.45(在0.43和0.47范围内都给分) (6)BC 解析:
9、(3)小滑车释放后做初速度为零的匀加速直线运动满足x= at2 由题图(b)知,当x=0.8 m时,t=2.00 s,代入式解得a=0.40 m/s2,-17-,命题点一,命题点二,(4)描点作图a-n图线如图: (5)对钩码与小滑车组成的系统有 nmg=(m+5m)a,解得m=0.45 kg。 (6)若木板保持水平,则对系统由牛顿第二定律得nmg-m+(N-n)mg=(m+Nm)a,由此知图线不过原点,且斜率增大,故B、C选项正确。,-18-,命题点一,命题点二,思维点拨此实验与教材中实验对比,研究对象一样吗?,答案:不一样,教材实验中研究对象是小车,此实验中的研究对象是小车和钩码(包括悬挂
10、的钩码)。,-19-,命题点一,命题点二,例3实验:用如图甲所示的装置探究加速度a与力F的关系,带滑轮的长木板水平放置,弹簧测力计固定在墙上。,-20-,命题点一,命题点二,(1)实验时,一定要进行的操作是 。(填选项字母) A.小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,根据纸带的数据求出加速度a,同时记录弹簧测力计的示数F B.改变小车的质量,打出几条纸带 C.用天平测出砂和砂桶的总质量 D.为减小误差,实验中一定要保证砂和砂桶的总质量远小于小车的质量 (2)若要把小车所受拉力视为小车所受的合力,在进行上述实验操作之前,首先应该完成的实验步骤是 。 (3)根据实验数据,画出了
11、如图乙所示的a-F图象,测得斜率为k,则小车的质量为 。,-21-,命题点一,命题点二,(4)若某次实验,求得小车的加速度为a,则此时砂和砂桶的加速度为 。 (5)若弹簧测力计的读数为F,则F (填“大于”“等于”或“小于”)mg(m为砂和砂桶的总质量)。,解析:(1)打点计时器运用时,都是先接通电源,待打点稳定后再释放纸带,该实验探究加速度与力的关系,要记录弹簧测力计的示数,A正确;要探究加速度与质量的关系时,就要改变小车的质量,这个实验是研究加速度随F变化关系,B错误;拉力可以由弹簧测力计测出,不需要用天平测出砂和砂桶的质量,也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总质量,C、D错误;故
12、选A。,-22-,命题点一,命题点二,(2)小车在运动中要受到木板对小车的摩擦力和纸带与打点计时器间的摩擦力,要把小车所受拉力视为小车所受的合力,就要平衡摩擦力。 (3)对a-F图象来说,图象的斜率表示小车质量的倒数,(4)两股细绳拉小车,所以小车与砂桶的加速度是2倍关系,所以砂和砂桶的加速度为2a。 (5)因为砂和砂桶有加速度,所以绳的拉力小于砂和砂桶的重力,即弹簧测力计的读数小于砂和砂桶的重力。,-23-,命题点一,命题点二,例4(2018山东临沭月考)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
13、门时,光束被遮挡的时间t1、t2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s,牵引砝码的质量为m。,-24-,命题点一,命题点二,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=0.4 kg,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=5 g B.m2=15 g C.m3=40 g D.m4=400 g (3)在此实验中,需要测得每一个牵引力对应的加速度,其中求得的加速度的表达式为 (用t1、t2、D、s表示)。,-25
14、-,命题点一,命题点二,答案:(1)将滑行器自由放在导轨上,并轻推滑行器,看其能否做匀速运动,解析:(1)气垫导轨可以认为是光滑的,在判断其是否水平时可以采取的方法是接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,滑块基本保持静止说明导轨是光滑的,或接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,轻推滑块,滑块能基本做匀速直线运动。 (2)在该实验中实际是mg=(M+m)a,要满足mg=Ma,应该使砝码的总质量远小于滑块的质量。 若取M=0.4 kg,改变m的值,进行多次实验,m4=400 g不能满足,故选D。,-26-,命题点一,命题点二,(3)根据遮光条通过光电门的速度可以用平均速度代替得,-27-,命题点一,命题点
15、二,思维点拨(1)当气垫导轨水平时,滑块做匀速直线运动,通过光电门的速度相等,即光电门的挡光时间相等。 (2)在实验中,认为m的重力等于滑块所受的合力,所以m的质量应远小于M的质量。 (3)滑块经过光电门时的速度近似等于滑块经过光电门时的平均速度,可由v= 求出,然后由匀变速运动的速度位移公式求出滑块的加速度。,-28-,1.在探究物体的加速度a与物体所受外力F、物体质量M间的关系时,采用如图a所示的实验装置。小车及车中的砝码质量用M表示,盘及盘中的砝码质量用m表示。,-29-,(1)若已平衡好摩擦力,在小车做匀加速直线运动过程中绳子拉力FT= ,当M与m的大小关系满足 时,才可以认为绳对小车
16、的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力。 (2)某一组同学先保持盘及盘中的砝码质量m一定来做实验,其具体操作步骤如下,以下做法正确的是 。 A.平衡摩擦力时,应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上 B.每次改变小车的质量时,需要重新平衡摩擦力 C.实验时,先接通打点计时器的电源,再放开小车 D.用天平测出m以及小车质量M,小车运动的加速度可直接用公式a= 求出 (3)某小组同学保持小车及车中的砝码质量M一定,探究加速度a与所受外力F的关系,由于他们操作不当,这组同学得到的a-F关系图象如图b所示,其原因是 。,-30-,(4)图c是某次实验中得到的纸带。已知打点计时器使用的交流电源频率为50 Hz,每相邻两个计数点间还有4个点未画出,求出小车下滑的加速度为 m/s2。(结果保留三位有效数字),
