专题三第4讲 实验：验证牛顿运动定律

1、第第 4 4 讲实验：验证牛顿运动定律讲实验：验证牛顿运动定律 考点考点 验证牛顿第二定律验证牛顿第二定律 1实验目的：验证牛顿第二定律，即物体的质量一定时，实验目的：验证牛顿第二定律，即物体的质量一定时， 加速度与作用力成正比；作用力一定时，加速度与质量成反比加速度与作用力成正比；作用力一定时，加速度与质量成反比 控制变量控制变量 远大于远大于 图图 341 本实验第一部分保持小车的质量不变，改变本实验第一部分保持小车的质量不变，改变 m 的大小，测的大小，测 出相应的出相应的 a，验证，验证 a 与与 F 的关系；第二部分保持的关系；第二部分保持 m 不变，改变不变，改变 M 的大小，测出

2、小车运动的加速度的大小，测出小车运动的加速度 a，验证，验证 a 与与 M 的关系的关系 3实验器材实验器材 打点计时器，纸带及复写纸，小车，一端附有滑轮的长木打点计时器，纸带及复写纸，小车，一端附有滑轮的长木 板，小桶，细绳，砂，低压交流电源，两根导线，天平，刻度板，小桶，细绳，砂，低压交流电源，两根导线，天平，刻度 尺，砝码尺，砝码 4实验步骤及器材调整实验步骤及器材调整 (1)用天平测出小车和小桶的质量用天平测出小车和小桶的质量 M 和和 m，把数值记录下来，把数值记录下来 (2)按图按图 342 所示把实验器材安装好所示把实验器材安装好 图图 342 (3)平衡摩擦力：在长木板的不带滑

3、轮的一端下面垫上一块平衡摩擦力：在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块 薄木板，反复移动其位置，直至不挂砂桶的小车刚好在斜面上薄木板，反复移动其位置，直至不挂砂桶的小车刚好在斜面上 保持匀速运动为止保持匀速运动为止. (4)将砂桶通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使小将砂桶通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使小 车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上 标上号码标上号码 (5)保持小车的质量不变，改变砂桶中的砂量重复步骤保持小车的质量不变，改变砂桶中的砂量重复步骤(4)， 每次记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将每次

4、记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将记录的数据记录的数据 填写在表内填写在表内 (6)建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，在建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，在 坐标系上描点，画出相应的图线以验证坐标系上描点，画出相应的图线以验证 a 与与 F 的关系的关系. (7)保持砂及小桶的质量不变，改变小车的质量保持砂及小桶的质量不变，改变小车的质量(在小车上增在小车上增 减砝码减砝码)，重复上述步骤，重复上述步骤(5)、(6)验证验证 a 与与 M 的关系的关系 5注意事项注意事项 (1)在本实验中，必须平衡摩擦力，方法是将长木板的一端在本实验中，必须平衡摩擦力，方法是将长

5、木板的一端 垫起，而垫起的位置要恰当在位置确定以后，不能再更换倾垫起，而垫起的位置要恰当在位置确定以后，不能再更换倾 角角 (2)改变改变 m 和和 M 的大小时，每次小车开的大小时，每次小车开始释放时应尽量靠近始释放时应尽量靠近 打点计时器，而且先通电再放小车打点计时器，而且先通电再放小车. (3)每次利用纸带确定每次利用纸带确定 a 时，应求解其平均加速度时，应求解其平均加速度 6数据处理及误差分析数据处理及误差分析 (1)该实验原理中该实验原理中 Tmg 1 1m/M ，可见要在每次实验中均要，可见要在每次实验中均要 求求 Mm，只有这样，才能使牵引小车的牵引力近似等于砂及砂，只有这样，

6、才能使牵引小车的牵引力近似等于砂及砂 桶的重力桶的重力 (2)在平衡摩擦力时，垫起的物体的位置要适当，长木板形在平衡摩擦力时，垫起的物体的位置要适当，长木板形 成的倾角既不能太大也不能太小，同时每次改变成的倾角既不能太大也不能太小，同时每次改变 M 时，不再重时，不再重 复平衡摩擦力复平衡摩擦力 (3)在验证在验证 a 与与 M 的关系时，作图时应将横轴用的关系时，作图时应将横轴用 1/M 表示，表示， 这样才能使图象更直观这样才能使图象更直观. 第第1515讲讲 要点探究要点探究 第第1515讲讲 要点探究要点探究 1(双选双选)(东莞五校东莞五校 2011 届高三联考届高三联考)某同学设计

7、了一个探某同学设计了一个探 究小车加速度究小车加速度 a 与小车所受拉力与小车所受拉力 F 及质量及质量 m 关系的实验，图关系的实验，图 343 为实验装置简图他想用钩码的重力表示小为实验装置简图他想用钩码的重力表示小车受到的合车受到的合 外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为下列哪两项外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为下列哪两项 说法是正确的是说法是正确的是()AC A要平衡摩擦力要平衡摩擦力 B实验时不需要平衡实验时不需要平衡摩擦力摩擦力 C钩码的重力要远小于小车的总钩码的重力要远小于小车的总重力重力 D实验进行时应先释放小车再接通电源实验进行时应先释放小车再接通电源 图

8、图 343 2用如图用如图 344(甲甲)所示的实验装置来验证牛顿第所示的实验装置来验证牛顿第二定二定 律，为消除摩擦力的影响，实验前必须平衡摩擦力律，为消除摩擦力的影响，实验前必须平衡摩擦力 图图 344 (1)某同学平衡摩擦力时是这样操作的：将小车静止地放在某同学平衡摩擦力时是这样操作的：将小车静止地放在 水平长木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图水平长木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图 34 4(乙乙)，直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止请问这位同，直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止请问这位同 学的操作是否正确？如果不正确，应当如何进学的操作是否正确？如果不正确，应当如

9、何进行？行？ 答：答：_ _. (2)如果这位同学先如如果这位同学先如(1)中的操作，然后不断改变对小车的中的操作，然后不断改变对小车的 拉力拉力 F，他得到，他得到 M(小车质量小车质量)保持不变情况下的保持不变情况下的 aF 图线是下图线是下 图中的图中的_(将选项代号的字母填在横线上将选项代号的字母填在横线上) (3)打点计时器使用的交流电频率打点计时器使用的交流电频率 f50 Hz.图图 345 是某是某 同学在正确操作下获得的一条纸带，同学在正确操作下获得的一条纸带，A、B、C、D、E 每两点之每两点之 间还有间还有 4 个点没有标出写出用个点没有标出写出用 s1、s2、s3、s4

10、以及以及 f 来表示小来表示小 车加速度的计算式：车加速度的计算式：a_.根据根据 纸带所提供的数据，算得小车纸带所提供的数据，算得小车的加速度大小为的加速度大小为_m/s2(结结 果保留两位有效数字果保留两位有效数字) 图图 345 解析：(1)平衡摩擦力的要点是把有打点计时器的那一端适 当抬高，给小车一个初速度，小车能匀速下滑，则小车所受摩 擦力和小车的重力沿斜面向下的分力平衡，则可认为小车所受 绳子的拉力等于小车所受的合外力，达到平衡摩擦力的作用 热点热点 验证牛顿第二定律验证牛顿第二定律 【例【例 1】(广东五校广东五校 2011 届高三联考届高三联考)某同学设计了一个探某同学设计了一

11、个探 究加速度究加速度 a 与物体所受合力与物体所受合力 F 及质量及质量 m 关系的实验，图关系的实验，图 34 6 为实验装置简图为实验装置简图(交流电的频率为交流电的频率为 50 Hz，打点时间间隔为，打点时间间隔为 0.02 秒秒) 图图 346 (1)图图 347 为某次实验得到的纸为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小带，根据纸带可求出小 车的加速度大小为车的加速度大小为_m/s2.(保留两位有效数字保留两位有效数字) 图图 347 (2)保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量 m，分别得到小，分别得到小 车加速度车加速度 a 与质量与质量 m 及对应

12、的数据，如何利用这些数据才能比及对应的数据，如何利用这些数据才能比 较直观地确定小车加速度较直观地确定小车加速度 a 与质量与质量 m 之间的关系呢？之间的关系呢？ _. (3)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，甲、乙两位同保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，甲、乙两位同 学根据实验数据分别作出了加速度学根据实验数据分别作出了加速度 a 随合力随合力 F 的变化图线如图的变化图线如图 348 所示图所示图 348 甲中的图线上部出现了弯曲偏离了原甲中的图线上部出现了弯曲偏离了原 来的直线，其来的直线，其主要原因是主要原因是_图图 346 乙中的图线不通乙中的图线不通 过原点，其主要原是过原点

13、，其主要原是_. 图图 348 (2)在验证小车加速度 a 与小车质量 m 的关系时，为使图象 更直观，作图时应将横轴用 1/m 表示，即作加速度与小车质量 倒数之间的关系图象 (3)图348 甲中图线后半段偏离直线是没有满足砂和砂 桶的质量要远小于车的质量这个条件造成的；图 348 乙图 线存在明显的横截距，说明实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力 不充分 验证牛顿第二的实验一般都会利用打点计时器和 小车来进行，考察的重点是利用纸带运算加速度、平衡摩擦力 及误差分析 1(2011 年广州一模年广州一模)用图用图 349 所示的实验装置来验证所示的实验装置来验证 牛顿第二定律牛顿第二定律 图图 34

14、9 (1)为清除摩擦力的影响，实验前平衡摩擦力的具体操作为：为清除摩擦力的影响，实验前平衡摩擦力的具体操作为： 取下取下_，把木板不带滑轮的一端适当垫高并反复调节，直，把木板不带滑轮的一端适当垫高并反复调节，直 到轻推小车后，小到轻推小车后，小车能沿木板做车能沿木板做_运动运动 4.01.2 3.61.1 2.00.6 1.40.4 1.00.3 图 3410 答案：(1)砂桶匀速直线 (2)描点、连线如图 15 所示0.30(0.280.32 均可) 图 15 热点 2 动力学实验新题型 【例 2】(2009 年全国卷)某同学为了探究物体在斜面上 运动时摩擦力与斜面倾角的关系，设计实验装置如

15、图 3411. 长直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物块上在平板 上标出 A、B 两点，B 点处放置一光电门，用光电计时器记录滑 块通过光电门时挡光的时间 图 3411 实验步骤如下： 用游标卡尺测量滑块的挡光长度 d，用天平测量滑块的质 量 m； 用直尺测量 A、B 之间的距离 s，A 点到水平桌面的垂直 距离 h1，B 点到水平桌面的垂直距离 h2； 将滑块从 A 点静止释放；由光电计时器读出滑块的挡光 时间 t； 重复步骤 数次，并求挡光时间的平均值 t ； 利用所测数据求出摩擦力 f 和斜面倾角的余弦值 cos； 多次改变斜面的倾角，重复实验步骤做出 fcos 关系曲线 (1)用测

16、量的物理量完成下列各式(重力加速度为 g) 斜面倾角的余弦 cos_； 滑块通过光电门时的速度 v_； 滑块运动时的加速度 a_； 滑块运动时所受到的摩擦阻力 f_； 解析：(1)物块在斜面上做初速度为零的匀加速直线运动， 受重力、支持力、滑动摩擦力作用 根据三角形关系可得到 (2)测量滑块挡光长度的游标卡尺读数如图 3412 所示， 读得 d_ . 图 3412 (2)在游标卡尺中，主尺上是 3.6 cm，在游标尺上恰好是第 2 条刻度线与主尺对齐，再考虑到卡尺是 10 分度，所以读数为 3.6 cm0.21 mm3.62 cm. 2(2010 年浙江温州十校联考)现要测定木块与长木板之间 的动摩擦因数，给定的器材如下：一倾角可以调节的长木板(如 图 3413)、木块、计时器一个、米尺 图 3413 (1)填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤： 让木块从斜面上方一固定点 D 从静止开始下滑到斜面底 端 A 处，记下所用的时间 t. 用米尺测量 D 与 A 之间的距离 s，则木块的加速度 a _. 用米尺测量长木板顶端 B 相对于水平桌面 CA 的高度 h 和长木板的总长度 L.设木块所受重力为 mg，木块与长木板之间 的动摩擦因数为，则木块所受的合