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1、第2节牛顿第二定律第1课时实验：探究加速度与力、质量的关系目的和器材目的和器材实验原理实验原理实验实验目的目的1.1.学会用控制学会用控制变变量法研究量法研究物理物理规规律。律。2.2.探究加速度与力、探究加速度与力、质质量量的关系。的关系。3.3.学会利用学会利用图图像分析像分析实验实验数据并解决物理数据并解决物理问题问题。用控制用控制变变量法探究加速度与力、量法探究加速度与力、质质量三者的关系。量三者的关系。(1)(1)加速度与力的关系：保持物体加速度与力的关系：保持物体的的质质量量m m不不变变，测测量物体在不同力量物体在不同力F F的作用下的加速度的作用下的加速度a a，分析，分析a
2、a与与F F的关系。的关系。(2)(2)加速度与加速度与质质量的关系：保持物量的关系：保持物体所受的力体所受的力F F不不变变，测测量不同量不同质质量量m m的物体在的物体在该该力力F F作用下的加速度作用下的加速度a a，分析，分析a a与与m m的关系。的关系。实验实验器材器材打点打点计时计时器、器、纸带纸带、复写、复写纸纸、小、小车车、一端附有定滑、一端附有定滑轮轮的的长长木板、小木板、小盘盘、夹夹子、子、细绳细绳、低、低压压交流交流电电源、源、导导线线、天平、刻度尺、砝、天平、刻度尺、砝码码、薄木薄木块块。【实验过程【实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.称量质量称量质量用天平测量
3、小盘的质量用天平测量小盘的质量m m0 0和小车的质量和小车的质量M M0 0。2.2.安装器材安装器材按照如图所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘按照如图所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上的细绳系在小车上( (即不给小车牵引力即不给小车牵引力) )。3.3.平衡摩擦力平衡摩擦力在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，在长木板的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，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态状态( (纸带上相邻点间距相等纸带上相邻点间距相等) )。4.4.让小车靠近打点计
4、时器，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车让小车靠近打点计时器，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，由纸带计算出小车的加速度，并把力和力，即为小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并把力和对应的加速度填入表对应的加速度填入表1 1中。中。5.5.改变小盘内砝码的个数，重复步骤改变小盘内砝码的个数，重复步骤4 4，并多做几次。，并多做几次。6.6.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，保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码
5、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 M，并由纸，并由纸带计算出小车对应的加速度，将所对应的质量和加速度填入表带计算出小车对应的加速度，将所对应的质量和加速度填入表2 2中。中。7.7.改变小车上砝码的个数，重复步骤改变小车上砝码的个数，重复步骤6 6，并多做几次。，并多做几次。表表1 1实验实验次数次数加速度加速度a/ma/ms s-2-2小小车车受力受力F/NF/N1 12 23 34 4二、数据处理二、数据处理1.1.计算加速度计算加速度先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，先在纸带上标明计数点，测量
6、各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。2.2.作图像找关系作图像找关系根据记录的各组对应的加速度根据记录的各组对应的加速度a a与小车所受牵引与小车所受牵引力力F F，建立直角坐标系，描点画，建立直角坐标系，描点画a-Fa-F图像，如果图像是一条过原点的倾图像，如果图像是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的加斜直线，便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度速度a a与小车和砝码总质量与小车和砝码总质量M M，建立直角坐标系，描点画，建立直角坐标系，描点画a-a- 图像，图像，如果图像是一条过
7、原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。如果图像是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。表表2 2实验实验次数次数加速度加速度a/ma/ms s-2-2小小车车和砝和砝码码的的总质总质量量M/kgM/kg1 12 23 34 4【误差分析【误差分析】1.1.质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行都会造成误差。拉线或纸带不与木板平行都会造成误差。2.2.不满足小盘及砝码的总质量远小于小车的质量，会使不满足小盘及砝码的总质量远小于小车的质量，会使a-Fa-F图像或图像或a-a- 图像发生
8、弯曲，造成误差。图像发生弯曲，造成误差。3.3.平衡摩擦力不准确时会造成实验误差。平衡摩擦力不准确时会造成实验误差。【注意事项【注意事项】1.1.平衡摩擦力时不要挂重物，平衡摩擦力后，都不需要再重新平衡摩平衡摩擦力时不要挂重物，平衡摩擦力后，都不需要再重新平衡摩擦力。擦力。2.2.平衡摩擦力后，每条纸带必须满足在小车和小车上所加砝码的总质平衡摩擦力后，每条纸带必须满足在小车和小车上所加砝码的总质量远大于砝码和小盘的总质量的条件下进行。量远大于砝码和小盘的总质量的条件下进行。3.3.每次实验开始时，小车尽量靠近打点计时器，先接通电源，再释放每次实验开始时，小车尽量靠近打点计时器，先接通电源，再释
9、放小车。小车。4.4.各纸带上的加速度各纸带上的加速度a a，应是平均加速度。，应是平均加速度。5.5.作图像时，要使尽可能多的点在直线上，不在直线上的点均匀地分作图像时，要使尽可能多的点在直线上，不在直线上的点均匀地分布在直线两侧，离直线远的点舍掉。布在直线两侧，离直线远的点舍掉。热点一热点一 实验原理及操作过程实验原理及操作过程【典例【典例1 1】用如图所示的装置探究在作用力用如图所示的装置探究在作用力F F一定时，小车的加速度一定时，小车的加速度a a与小车质量与小车质量M M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：的关系，某位同学设计的实验步骤如下：A.A.用天平称出小车和小桶及其内部所装
10、砂子的质量用天平称出小车和小桶及其内部所装砂子的质量B.B.按图装好实验器材按图装好实验器材C.C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶D.D.将电磁打点计时器接在将电磁打点计时器接在6V6V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量E.E.保持小桶及其内部所装砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，保持小桶及其内部所装砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的并记录每次增加后的M M值，重复上述实验值，重复上
11、述实验F.F.分析每条纸带，测量并计算出加速度的值分析每条纸带，测量并计算出加速度的值G.G.作作a-Ma-M关系图像，并由图像确定关系图像，并由图像确定a-Ma-M关系关系(1)(1)该同学漏掉的重要实验步骤是该同学漏掉的重要实验步骤是，该步骤应排在实验步骤，该步骤应排在实验步骤之后。之后。(2)(2)在上述步骤中，有错误的是在上述步骤中，有错误的是，应把，应把改为改为。(3)(3)在上述步骤中，处理不恰当的是在上述步骤中，处理不恰当的是，应把，应把改为改为。 【正确解答【正确解答】实验中把小桶及其内所装砂子的重力看做与小车所受的实验中把小桶及其内所装砂子的重力看做与小车所受的拉力大小相等，
12、实验中没有考虑摩擦力的作用，故必须平衡摩擦力，拉力大小相等，实验中没有考虑摩擦力的作用，故必须平衡摩擦力，电磁打点计时器接在电磁打点计时器接在6V6V电压的蓄电池上将无法工作，必须接在电压的蓄电池上将无法工作，必须接在4 46V6V交流电压的学生电源上，作交流电压的学生电源上，作a-Ma-M关系图像，得到的是双曲线，很难作关系图像，得到的是双曲线，很难作出正确的判断，必须出正确的判断，必须“化曲为直化曲为直”，改作，改作a- a- 关系图像。关系图像。答案：答案：(1)(1)平衡摩擦力平衡摩擦力B B(2)D(2)D6V6V电压的蓄电池电压的蓄电池4 46V6V交流电压的学生电源交流电压的学生
13、电源(3)G(3)G作作a-Ma-M关系图像作关系图像作a- a- 关系图像关系图像热点二热点二 实验数据处理实验数据处理【典例【典例2 2】(2014(2014新课标全国卷新课标全国卷)某同学利用图甲所示实验装置及某同学利用图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度数字化信息系统获得了小车加速度a a与钩码的质量与钩码的质量m m的对应关系图，如的对应关系图，如图乙所示。实验中小车图乙所示。实验中小车( (含发射器含发射器) )的质量为的质量为200g200g，实验时选择了不可，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的
14、加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题：的计算机得到。回答下列问题：(1)(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 ( (选选填填“线性线性”或或“非线性非线性”) )关系。关系。(2)(2)由图乙可知，由图乙可知，a-ma-m图线不经过原点，可能的原因是图线不经过原点，可能的原因是 。(3)(3)若利用本实验装置来验证若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力的结论，并直接以钩码所受重力mgmg作为小车受作为小车
15、受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是到的合外力，则实验中应采取的改进措施是，钩码的，钩码的质量应满足的条件是质量应满足的条件是 。【正确解答【正确解答】本题考查了验证牛顿第二定律。本题考查了验证牛顿第二定律。(1)(1)根据图中描出的各点，作出的图像不是一条直线。根据图中描出的各点，作出的图像不是一条直线。(2)(2)图像不过原点，有拉力但没有加速度，原因是摩擦力的影响。图像不过原点，有拉力但没有加速度，原因是摩擦力的影响。(3)(3)平衡摩擦力之后，在满足钩码质量远小于小车质量的条件下，可平衡摩擦力之后，在满足钩码质量远小于小车质量的条件下，可以得出小车质量不变情况下拉力与加速度成正比的结论。以得出小车质量不变情况下拉力与加速度成正比的结论。答案：答案：(1)(1)非线性非线性(2)(2)存在摩擦力存在摩擦力(3)(3)调整轨道倾斜度以平衡摩擦力远小于小车质量调整轨道倾斜度以平衡摩擦力远小于小车质量
