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1、第第4讲实验四讲实验四 验证牛顿第二定律验证牛顿第二定律 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探究加速度探究加速度a与力与力F及质量及质量m的关系时，应用的基本方的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量法是控制变量法，即先控制一个参量小车的质量小车的质量m不变，不变，讨论加速度讨论加速度a与力与力F的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即力即力F不变，改变小车质量不变，改变小车质量m，讨论加速度，讨论加速度a与与m的关系的关系打点计时器、纸带打点计时器、纸带,复写纸片、小车、一端附有定滑复写纸片、小车、
2、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、轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码天平、刻度尺、砝码. 1用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0. 2把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上，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滑动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
3、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M，并由纸带计算出小车对应的加速度 7改变小车上砝码的个数，重复步骤6，并将所对应的质量和加速度填入表(二)中表表(一一)实验次数实验次数加速度加速度a/(ms2)小车受力小车受力F/N1234 表(二)实验次数实验次数
4、加速度加速度a/(ms2)小车质量小车质量M/kg123 8.数据处理 (1)用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，作用力的大小F等于小盘和砝码的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比 (2)用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比 1一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵
5、引力，并要让小车拖着打点的纸带运动 2实验步骤2、3不需要重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力 3每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力 4改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车 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，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差 2因实验原理不完善造成误差 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实
6、际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力)，存在系统误差小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小 3平衡摩擦力不准造成误差 在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等 在探究加速度与力、质量的关系实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点计算出 (1)当M与m的大小关系满足_时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力 (2)
7、一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据为了比较容易地确定出加速度a与质量M的关系，应该作a与_的图象 (3)如下图(a)为甲同学根据测量数据作出的aF图线，说明实验存在的问题是_ (4)乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的aF图线如图(b)所示，两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同？ (4)乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的aF图线，两图象的斜率不同，说明两个同学做实验时的小车及车上砝码的总质量不同若测得某一物体质量M一定时，a与F的有关数据资料如下表所示. (1)根据表中数据，在如下
8、图所示坐标中画出aF图象 (2)根据图象判定：当M一定时，a与F的关系为_a/(ms2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00 【解析】 本题主要考查“验证牛顿运动定律”实验的数据处理方法及结果分析.若a与F成正比，则图象是一条过原点的直线.同时，因实验中不可避免地出现误差，则在误差允许范围内图象是一条过原点的直线即可.连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称分布在直线两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予以考虑，如下图所示.如下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
9、，小车的总质量(包括车、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：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中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aF图象，图象是一条过原点的直线 aF图象斜率的物理意义是_ 你认为把沙桶的总重力mg当做合外力F是_(填“合理”或“不合理”) 本次实验中，_(填“是”或“否”)应该满足M m这样的条件；理由是_ (2)验证在合外力不变的情况下
10、，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_倒数为横轴(2)向小车内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质向小车内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量量Mm，而系统的合外力仍等于所悬挂沙桶的重力，而系统的合外力仍等于所悬挂沙桶的重力mg，保证了合外力不变保证了合外力不变 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
11、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；选项在B、C、D符合正确的操作方法，B、C、D对 【答案】BCD 2在“验证牛顿运动定律”的实验中，在研究加速度a与小车的质量M的关系时，由于没有注意始终满足Mm的条件，结果得到的图象应是下图中的()【答案答案】D 3(2010年南通质检)“验证牛顿运动定律”的实验，主要的步骤有： A将一端附有定滑轮的长木板放在水平桌面上，取两个质量相等的小车，放在光滑的水平长木板上 B
12、打开夹子，让两个小车同时从静止开始运动，小车运动一段距离后，夹上夹子，让它们同时停下来，用刻度尺分别测出两个小车在这一段时间内通过的位移大小 C分析所得到的两个小车在相同时间内通过的位移大小与小车所受的水平拉力的大小关系，从而得到质量相等的物体运动的加速度与物体所受作用力大小的关系 D在小车的后端也分别系上细绳，用一只夹子夹住这两根细绳 E在小车的前端分别系上细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘内分别放着数目不等的砝码，使砝码盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量分别用天平测出两个砝码盘和盘内砝码的总质量 上述实验步骤，正确的排列顺序是_ 【解析】此题考查的是实验步骤，对于实验的一些常识，
13、必须牢记于心，结合本实验的实验步骤，不难排列出正确的顺序 【答案】AEDBC 4(2009年福建省普通高中毕业班质量检查理科综合能力测试)测量滑块在运动过程中所受的合外力是“探究动能定理”实验要解决的一个重要问题为此，某同学设计了如下实验方案： A实验装置如上图所示，一端系在滑块上的细绳通过转轴光滑的轻质滑轮挂上钩码，用垫块将长木板固定有定滑轮的一端垫起调整长木板的倾角，直至轻推滑块后，滑块沿长木板向下做匀速直线运动； B保持长木板的倾角不变，取下细绳和钩码，让滑块沿长木板向下做匀加速直线运动 请回答下列问题： (1)滑块做匀速直线运动时，打点计时器在纸带上所打出点的分布应该是_； (2)滑块
14、在匀加速下滑过程中所受的合外力大小_钩码的重力大小(选填“大于”“等于”或“小于”) 【答案】(1)等间距(或均匀)(2)等于 5(2009年江苏卷)“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示 (1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示计时器打点的时间间隔为0.02 s从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离该小车的加速度a_m/s2.(结果保留两位有效数字) (2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表： 请根据实验数据作出aF的关系图象砝码盘中砝砝码盘中砝码总重力码总重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980加速度加速度a(ms2)0.691.181.662.182.70 (3)根据提供的实验数据作出的aF图线不通过原点，请说明主要原因 【解析】根据xaT2可计算小车的加速度，a0.16 m/s2，运用表格中给出的数据可绘出图象，图象不过原点的主要原因是未计入砝码盘的重力 【答案】(1)0.16(0.15也可)(2)见下图 (3)未计入砝码盘的重力