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實 驗 四 驗證牛頓運動定律,【實驗過程】 一、實驗步驟 1.稱量質(zhì)量——用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M0。 2.安裝器材——按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好,只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(即不給小車牽引力)。,3.平衡摩擦力——在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊,反復移動薄木塊的位置,直至小車在斜面上運動時可以保持勻速運動狀態(tài)。 4.讓小車靠近打點計時器,掛上小盤和砝碼,先接通電源,再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑,打出一條紙帶。計算小盤和砝碼的重力,即為小車所受的合外力,由紙帶計算出小車的加速度,并把力和對應(yīng)的加速度填入表1中。,5.改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù),重復步驟4,并多做幾次。 6.保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變,在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量,讓小車在木板上滑動打出紙帶。計算砝碼和小車的總質(zhì)量M,并由紙帶計算出小車對應(yīng)的加速度,并將所對應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表2中。,7.改變小車上砝碼的個數(shù),重復步驟6,并多做幾次。 表1,表2,二、數(shù)據(jù)處理 1.計算加速度——先在紙帶上標明計數(shù)點,測量各計數(shù)點間的 距離,根據(jù)逐差法計算各條紙帶對應(yīng)的加速度。 2.作圖像找關(guān)系——根據(jù)記錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車所 受牽引力F,建立直角坐標系,描點畫a -F圖像,如果圖像是一條 過原點的傾斜直線,便證明加速度與作用力成正比。再根據(jù)記 錄的各組對應(yīng)的加速度a與小車和砝碼總質(zhì)量M,建立直角坐標 系,描點畫a - 圖像,如果圖像是一條過原點的傾斜直線,就 證明了加速度與質(zhì)量成反比。,【誤差分析】 1.因?qū)嶒炘聿煌晟埔鹫`差。以小車、小盤和砝碼整體為 研究對象得mg=(M+m)a;以小車為研究對象得F=Ma;求得 本實驗用小盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力,而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力。小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,由此引起的誤差就越小。因此,滿足小盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量的目的就是減小因?qū)嶒炘聿煌晟贫鸬恼`差。,2.摩擦力平衡不準確造成誤差。在平衡摩擦力時,除了不掛小盤外,其他的均與正式實驗一樣(比如要掛好紙帶、接通打點計時器),勻速運動的標志是打點計時器打出的紙帶上各相鄰兩點間的距離相等。 3.質(zhì)量的測量誤差、紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差、細繩或紙帶不與木板平行等都會引起誤差。,【注意事項】 1.平衡摩擦力：在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,且要讓小車拖著紙帶勻速運動。 2.不重復平衡摩擦力：整個實驗平衡了摩擦力后,不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力。 3.實驗條件：每條紙帶都必須在滿足小車的質(zhì)量遠大于小盤和砝碼的總質(zhì)量的條件下打出。只有如此,小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力。,4.一先一后一按?。焊淖兝托≤囐|(zhì)量后,每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器,并應(yīng)先接通電源,再放開小車,且應(yīng)在小車到達定滑輪前按住小車。 5.作圖：作圖時,兩坐標軸的比例要適當,要使盡可能多的點落在所作直線上,不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱地分布在所作直線兩側(cè)。,【實驗改進】 本實驗中可以用氣墊導軌來代替長木板,這樣就省去了平衡摩擦力的麻煩,小車的加速度也可以利用傳感器來測量,借助于計算機來處理。,熱點1 實驗原理與注意事項 【典題1】(2014·東莞模擬)使用如圖所示的氣墊導軌裝置探究加速度與力的關(guān)系。其中G1、G2為兩個光電門,它們與數(shù)字計時器相連,當滑行器通過G1、G2光電門時,光束被遮擋的時間Δt1、Δt2都可以被測量并記錄,滑行器連同上面固定的條形擋光片的總質(zhì)量為M,擋光片寬度為D,光電門之間的距離為s,牽引砝碼的質(zhì)量為m。回答下列問題：,(1)實驗開始前應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導軌下面的螺釘,使氣墊導軌水平,在不增加其他儀器的情況下,如何判定調(diào)節(jié)是否到位? 答： 。 (2)若取M=0.4kg,改變m的值,進行多次實驗,以下m的取值不合適的一個是 。 A.m1=5g B.m2=15g C.m3=40g D.m4=400g (3)在此實驗中,需要測得每一個牽引力對應(yīng)的加速度,求得的加速度的表達式為 。(用Δt1、Δt2、D、s表示),【解題探究】 (1)如果氣墊導軌水平,則不掛牽引砝碼時,滑行器應(yīng)處于什么狀態(tài)? 提示：如果氣墊導軌水平,則不掛牽引砝碼時,滑行器應(yīng)處于靜止狀態(tài),或輕推滑行器后滑行器能處于勻速直線運動狀態(tài)。 (2)實驗時滿足什么條件,滑行器所受的合外力近似等于牽引砝碼的重力? 提示：當M?m時,滑行器所受的合外力近似等于牽引砝碼的重力。,(3)滑行器加速度的求解： ①滑行器通過光電門G1的速度：________; ②滑行器通過光電門G2的速度：________; ③滑行器經(jīng)過位移s的運動學方程：____________。,【解析】(1)如果氣墊導軌水平，則不掛牽引砝碼時，滑行 器應(yīng)能在任意位置靜止不動，或輕推滑行器后滑行器能勻 速運動。 (2)應(yīng)滿足M?m，故m4＝400 g不合適。 (3)由v1＝ ，v2＝ ，v22－v12＝2as， 可得：,答案：(1)取下牽引砝碼,滑行器放在任意位置都不動;或取下 牽引砝碼,輕推滑行器,數(shù)字計時器記錄的每一個光電門的光 束被擋的時間Δt都相等 (2)D (3),熱點2 實驗數(shù)據(jù)處理 【典題2】(2013·天津高考)某實驗小組利用圖示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。,(1)下列做法正確的是( ) A.調(diào)節(jié)滑輪的高度,使牽引木塊的細繩與長木板保持平行 B.在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時,將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上 C.實驗時,先放開木塊再接通打點計時器的電源 D.通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時,不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度,(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運 動時受到的拉力,應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量 木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量。(選填“遠大于” “遠小于”或“近似等于”) (3)甲、乙兩同學在同一實驗室,各取一套圖示 的裝置放在水平桌面上,木塊上均不放砝碼,在 沒有平衡摩擦力的情況下,研究加速度a與拉力 F的關(guān)系,分別得到圖中甲、乙兩條直線,設(shè)甲、 乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙,甲、乙用的木塊與木板間 的動摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙,由圖可知,m甲 m乙,μ甲 μ乙。(選填“大于”“小于”或“等于”),【解題探究】 (1)實驗中木塊的合外力由誰來提供?如何實現(xiàn)? 提示：實驗中繩的拉力提供木塊的合外力;而實驗時,木塊會受到摩擦力的作用,為消除摩擦力的影響,實驗前要在懸掛砝碼桶前平衡摩擦力。,(2)砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運動時 受到的拉力的分析： ①對木塊列牛頓第二定律方程：_____; ②對砝碼桶及桶內(nèi)砝碼列牛頓第二定律方程：____________; ③請根據(jù)以上兩個方程寫出拉力F的表達式,分析拉力近似等 于砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力的條件。 提示：解以上兩個方程得F= ,當m′?m時,F=m′g。,F=ma,m′g-F=m′a,(3)在沒有平衡摩擦力的情況下,根據(jù)牛頓第二定律寫出a-F函 數(shù)關(guān)系式,分析圖像中斜率和截距的物理意義。 提示：在沒有平衡摩擦力的情況下,根據(jù)牛頓第二定律F-μmg =ma,得a= F-μg,在a-F圖像中,斜率表示質(zhì)量的倒數(shù) ,a軸 上的截距的絕對值表示μg。,【解析】(1)選A、D。木塊下滑時,受到重力、細繩的拉力、支持力和摩擦力,要使拉力等于合力,應(yīng)該使細繩與長木板平行且使重力的下滑分量mgsinθ等于摩擦力μmgcosθ,即mgsinθ=μmgcosθ(其中θ為木板的傾角),故平衡摩擦力時,不能懸掛砝碼桶,A正確,B錯誤;由平衡摩擦力的公式可知兩邊的質(zhì)量m可以消去,故改變木塊上的砝碼的質(zhì)量時,木塊及其上砝碼的總重力的下滑力仍能和總的摩擦力抵消,不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度,故D正確;通過紙帶求木塊加速度,要求打點計時器在紙帶上打出足夠多的點,這就要求將木塊放在靠近打點計時器的位置,并且先接通打點計時器,待打點穩(wěn)定后再釋放木塊,故選項C錯誤。,(2)實驗中平衡好摩擦力后,繩的拉力提供木塊的合外力即F=ma;砝碼桶及桶內(nèi)砝碼與木塊運動的加速度相等,由牛頓第二定律得m′g-F=m′a,兩式聯(lián)立得m′g=(m+m′)a,當m′?m時,m+m′≈m,m′g≈ma,即當m′?m時,砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力近似等于木塊運動時受到的拉力,提供木塊的合外力,故應(yīng)選填“遠小于”。,(3)實驗中如果沒有平衡摩擦力,對木塊進行受力分析,根據(jù)牛 頓第二定律F-μmg=ma,得a= F-μg,即a-F圖像中,斜率表示 質(zhì)量的倒數(shù) ,a軸上的截距的絕對值表示μg,結(jié)合圖可得m甲 μ乙。 答案：(1)A、D (2)遠小于 (3)小于 大于,