實驗四驗證牛頓運動定律實驗四驗證牛頓運動定律 01主干回顧固基礎(chǔ)【實驗?zāi)康摹?學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律2驗證牛頓第二定律3掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法【實驗原理】探究加速度a與力F及質(zhì)量M的關(guān)系時，應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量小車的質(zhì)量M不變，討論加速度a與力F的關(guān)系，再控制砝碼和小盤的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車質(zhì)量M，討論加速度a與M的關(guān)系【實驗器材】打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板，小盤、砝碼、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺【實驗步驟】1用天平測出小車和小盤的質(zhì)量M和M，把數(shù)值記錄下來2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(xì)線系在小車上(即不給小車加牽引力)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(fù)移動木板的位置，直至小車在斜面上運動時可以保持勻速運動狀態(tài)，這時小車拖著紙帶運動時受到的摩擦力恰好與小車所受重力在斜面方向上的分力平衡4. 把細(xì)繩系在小車上并繞過滑輪懸掛小盤，先接通電源再放開小車，打點計時器在紙帶上打下一系列的點打點完成后切斷電源，取下紙帶，在紙帶上標(biāo)上紙帶號碼5. 保持小車及車內(nèi)砝碼的質(zhì)量不變，在小盤內(nèi)放入質(zhì)量為 m的砝碼，重復(fù)步驟4.在小盤內(nèi)分別放入質(zhì)量為 m， m，的砝碼，再重復(fù)步驟4. m， m， m的數(shù)值都要記錄在紙帶上(或表格內(nèi))6. 在每條紙帶上都選取一段比較理想的部分，標(biāo)明計數(shù)點，測量計數(shù)點間的距離，算出每條紙帶上的加速度的值7. 用縱坐標(biāo)表示加速度，橫坐標(biāo)表示力，根據(jù)實驗結(jié)果在坐標(biāo)平面上畫出相應(yīng)的點若這些點在一條直線上，便證明了加速度與作用力成正比. 8. 保持砝碼和小盤的質(zhì)量不變，在小車上依次加砝碼(也需作好記錄)，重復(fù)上述步驟，用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示小車砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)，在坐標(biāo)平面上根據(jù)實驗結(jié)果畫出相應(yīng)的點，如果這些點是在一條直線上，就證明加速度與質(zhì)量成反比【注意事項】1一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦力在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細(xì)線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運動2實驗步驟2、3不需要重復(fù)，即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每條紙帶必須滿足在小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)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改變拉力和小車質(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(dá)滑輪前按住小車5要使盡可能多的點在所作直線上，不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)遠(yuǎn)離的點直接舍去6作圖時兩軸標(biāo)度比例要選擇適當(dāng)各物理量須采用國際單位這樣作圖線時，坐標(biāo)點間距不至于過密，誤差會小些. 7為提高測量精度(1)應(yīng)舍掉紙帶上開頭比較密集的點，在后邊便于測量的地方找一個起點(2)可以把每打五次點的時間作為時間單位，即從開始點起，每五個點標(biāo)出一個計數(shù)點，而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T0.1 s.【數(shù)據(jù)處理】 利用圖象處理數(shù)據(jù)是一種常用的重要方法將實驗中得到的數(shù)據(jù)通過描點作出圖象，可以非常直觀地看出兩個物理量之間的關(guān)系，也可以有效地減小實驗誤差，確定并排除實驗中測得的一些錯誤數(shù)據(jù)在探究加速度與力的關(guān)系的實驗中，以加速度a為縱坐標(biāo)，力F為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點如果這些點在一條過原點的直線上，說明a與F成正比【誤差分析】1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，拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差2因?qū)嶒炘聿煌晟圃斐烧`差：本實驗中用重物的重力代替小車受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于重物的重力)，存在系統(tǒng)誤差重物質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量，誤差就越大；反之，重物質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，誤差就越小3平衡摩擦力不準(zhǔn)造成誤差：在平衡摩擦力時，除了不掛重物外，其他的都跟正式實驗一樣(比如要掛好紙帶、接通打點計時器)，勻速運動的標(biāo)志是打點計時器打出的紙帶上各點的距離相等02典例突破知規(guī)律考點1對實驗原理及步驟的考查 典例透析2012安徽高考圖1為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖砂和砂桶的總質(zhì)量為m，小車和砝碼的總質(zhì)量為M.實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細(xì)線對小車?yán)Φ拇笮D1 (1)實驗中，為了使細(xì)線對小車的拉力等于小車所受的合外力，先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度，使細(xì)線與長木板平行接下來還需要進(jìn)行的一項操作是() A將長木板水平放置，讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶，給打點計時器通電，調(diào)節(jié)m的大小，使小車在砂和砂桶的牽引下運動，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 B將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨龋屝≤囘B著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶，撤去砂和砂桶，給打點計時器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 C將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，撤去紙帶以及砂和砂桶，輕推小車，觀察判斷小車是否做勻速運動 (2)實驗中要進(jìn)行質(zhì)量m和M的選取，以下最合理的一組是() AM200 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g BM200 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g CM400 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g DM400 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g (3)圖2是實驗中得到的一條紙帶，A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數(shù)點，相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為：sAB4.22 cm、sBC4.65 cm、sCD5.08 cm、sDE5.49 cm、sEF5.91 cm、sFG6.34 cm.已知打點計時器的工作頻率為50 Hz，則小車的加速度a_m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖2嘗試解答(1)B_(2)C_(3)0.42(1)要使細(xì)線對小車的拉力等于小車所受的合外力，應(yīng)將長木板遠(yuǎn)離定滑輪的一端墊起，使小車所受重力沿木板向下的分力與小車及紙帶所受摩擦力平衡，即選項B正確(2)要使砂和砂桶的總重力的大小作為細(xì)線對小車?yán)Φ拇笮。仨毷筸M，只有選項C符合這個要求變式訓(xùn)練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)系下列做法正確的是_(填字母代號) A調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)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 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(填“遠(yuǎn)大于”、“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”) 甲、乙兩同學(xué)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)分別為甲、乙，由圖可知，m甲_m乙，甲_乙(填“大于”、“小于”或“等于”)F0時圖線與a軸交點為只有摩擦力作用時木塊的加速度值，mgmaag，由a甲a乙，可知甲乙；a0時的臨界拉力F為各自的最大靜摩擦力即滑動摩擦力，由題圖可知甲m甲g乙，得出m甲m乙答案：AD遠(yuǎn)小于小于大于考點2數(shù)據(jù)處理與誤差分析 典例透析某同學(xué)設(shè)計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細(xì)繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動摩擦力的大小， 再將木板放回原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t. (1)木板的加速度可以用d、t表示為a_；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可)_ (2)改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實驗，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系下列圖象能表示該同學(xué)實驗結(jié)果的是_ (3)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是_ a可以改變滑動摩擦力的大小 b可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) c可以比較精確地測出摩擦力的大小 d可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 嘗試解答(1)2d/t2保持F1不變，重復(fù)實驗多次測量，求平均值(2)c(3)b、c(2)該實驗原理與教材實驗原理類似，同樣需要滿足木板的質(zhì)量M遠(yuǎn)大于礦泉水瓶的質(zhì)量m，此時可認(rèn)為繩上的拉力FT近似等于彈簧秤示數(shù)F1.本實驗中沒有平衡摩擦力，但通過題意可知木板受到的摩擦力為F0，木板受到的合外力為(F1F0)圖象反映的是a與F1的關(guān)系，而不是a與(F1F0)的關(guān)系，所以圖象不過原點當(dāng)F1增大時，即礦泉水瓶的質(zhì)量m增大時，實驗的前提條件不再滿足，此時a越大，繩上的拉力FT就越小于彈簧秤示數(shù)F1，加速度增加得就越慢，圖線向下彎曲，c正確(3)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù)和比較精確地測出摩擦力的大小，b、c說法是正確的，兩種實驗方法都不能改變滑動摩擦力的大小，a錯誤；通過(2)中分析可以知道當(dāng)加速度增大時，實驗條件便不再滿足，此時實驗誤差變大，d說法錯誤變式訓(xùn)練2011課標(biāo)全國卷利用圖1所示的裝置可測量滑塊在斜面上運動的加速度一斜面上安裝有兩個光電門，其中光電門乙固定在斜面上靠近底端處，光電門甲的位置可移動當(dāng)一帶有遮光片的滑塊自斜面上滑下時，與兩個光電門都相連的計時器可以顯示出遮光片從光電門甲至乙所用的時間t.改變光電門甲的位置進(jìn)行多次測量，每次都使滑塊從同一點由靜止開始下滑，并用米尺測量甲、乙之間的距離s，記下相應(yīng)的t值；所得數(shù)據(jù)如下表所示. s(m) 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 0.950 t(ms) 292.9 371.5 452.3 552.8 673.8 776.4s/t(m/s)1.711.621.55 1.451.34 1.22考點3實驗創(chuàng)新設(shè)計 典例透析2011重慶高考某同學(xué)設(shè)計了如圖甲所示的裝置，利用米尺、秒表、輕繩、輕滑輪、軌道、滑塊、托盤和砝碼等器材來測定滑塊和軌道間的動摩擦因數(shù).滑塊和托盤上分別放有若干砝碼，滑塊質(zhì)量為M，滑塊上砝碼總質(zhì)量為m，托盤和盤中砝碼的總質(zhì)量為m.實驗中，滑塊在水平軌道上從A到B做初速為零的勻加速直線運動，重力加速度g取10 m/s2. (1)為測量滑塊的加速度a，須測出它在A、B間運動的_與_，計算a的運動學(xué)公式是_； (3)實驗得到a與m的關(guān)系如圖乙所示，由此可知_.(取兩位有效數(shù)字)乙乙 變式訓(xùn)練 如圖所示為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機)研究加速度和力的關(guān)系”的實驗裝置 (1)在該實驗中必須采用控制變量法，應(yīng)保持_不變，用鉤碼所受的重力作為_，用DIS測小車的加速度 (2)改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復(fù)測量某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出aF關(guān)系圖線(如圖所示) 分析此圖線的OA段可得出的實驗結(jié)論是_. 此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是() A小車與軌道之間存在摩擦 B導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài) C所掛鉤碼的總質(zhì)量太大 D所用小車的質(zhì)量太大(2)當(dāng)鉤碼重力較小時，細(xì)線的拉力F近似等于鉤碼的重力，起初圖線為過原點的一條直線，a與F成正比，故分析此圖線的OA段可得出的實驗結(jié)論是“在質(zhì)量不變的條件下，加速度與合外力成正比”；當(dāng)鉤碼重力較大不再滿足“小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量”時，圖線的AB段明顯偏離直線而向下彎曲，小車的加速度與鉤碼的重力不再成正比，不能認(rèn)為此時細(xì)線的拉力近似等于鉤碼的重力，C正確答案：(1)小車的總質(zhì)量小車所受的合外力(2)在質(zhì)量不變的條件下，加速度與合外力成正比；C