实验四验证牛顿运动定律

实验四验证牛顿运动定律基础知识梳理一、实验目的1．学会用控制变量法研究物理规律．2．探究加速度与力、质量的关系．3．掌握利用图象处理数据的方法．基础知识梳理二、实验原理探究加速度a与力F及质量m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——小车的质量m不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制重物的质量不变，即力F不变，改变小车质量m，讨论加速度a与m的关系．基础知识梳理三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、重物、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺．基础知识梳理四、实验步骤1．用天平测出小车和砝码的总质量m，把数值记录下来．2．按图3－4－1所示把实验器材安装好，只是不把悬挂重物的细绳系在车上，即不给小车加牵引力．图3－4－1基础知识梳理3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫一块木板．反复移动木板的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态．这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡．4．把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂重物，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码．基础知识梳理5．保持小车和砝码的质量不变，改变重物的质量，使重物的质量远小于小车和砝码的总质量，把重物的质量m′记录下来，重复步骤4.6．重复步骤5三次，得到四条纸带．7．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值填入表(一)．基础知识梳理8．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等于重物的重力，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．保持所挂重物的质量不变，在小车上增减砝码，重复上述步骤，并做好记录，填入表(二)．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和车内砝码总质量的倒数，在坐标平面上，根据实验结果绘出图线，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．基础知识梳理表(一)表(二)12345小车受力F/N加速度a/m·s－212345小车质量m/kg加速度a/m·s－2基础知识梳理五、注意事项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，不要把悬挂重物的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，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，不管以后是改变重物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．基础知识梳理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重物的总质量的条件下打出．只有如此，重物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．基础知识梳理5．作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．6．作图时两轴标度比例要选择适当，各量须采用国际单位，这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些．7．为提高测量精度，应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点．可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起，每五个点标出一个计数点，而相邻计数点的时间间隔为T＝0.1s(电源频率为50Hz)．基础知识梳理六、误差分析1．因实验原理不完善引起的误差本实验用重物的总重力代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要小于重物的总重力．重物的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大；重物的总质量越小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小．因此满足重物的总质量m远小于小车和砝码的总质量M的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差．此误差可因m≪M而减小，但不可能消除．证明如下：基础知识梳理小车和重物的受力情况如图3－4－2所示对小车：F＝Ma对重物：mg－F＝ma图3－4－2基础知识梳理2．平衡摩擦力不准造成误差：在平衡摩擦力时，除了不挂重物外，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．3．其它误差：质量测量不准；记数点间距测量不准；纸带拉线不严格与木板平行，都能够引起实验误差．基础知识梳理七、实验改进本实验中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器，借助于计算机来处理．高频考点例析题型一对实验原理及数据处理的考查例1(2008年高考宁夏卷)物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数．实验装置如图3－4－3所示，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接．打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz.开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点．高频考点例析图3－4－3图3－4－4高频考点例析(1)图3－4－4给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点(图中未标出)，计数点间的距离如图3－4－4所示．根据图中数据计算的加速度a＝____________(保留三位有效数字)．(2)回答下列两个问题：①为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有______．(填入所选物理量前的字母)高频考点例析A．木板的长度lB．木板的质量m1C．滑块的质量m2D．托盘和砝码的总质量m3E．滑块运动的时间t②测量①中所选定的物理量时需要的实验器材是________．(3)滑块与木板间的动摩擦因数μ＝__________________________(用被测物理量的字母表示，重力加速度为g)．与真实值相比，测量的动摩擦因数________(填“增大”或“偏小”)．写出支持你的看法的一个论据：________________.高频考点例析高频考点例析高频考点例析【方法总结】考查用逐差法处理纸带问题，用牛顿第二定律测动摩擦因数．高频考点例析如图3－4－5所示，质量为M的滑块A放在气垫导轨B上，C为位移传感器，它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机题型二创新性实验例2图3－4－5上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的位移—时间(s－t)图象和速度—时间(v－t)图象．整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为l、高度为h.(取重力加速度g＝9.8m/s2，结果可保留一位有效数字)．高频考点例析(1)现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度，A的v－t图线如图3－4－6甲所示，从图线可得滑块A下滑时的加速度a＝________m/s2，摩擦力对滑块A运动的影响______________．(填“明显，不可忽略”或“不明显，可忽略”)(2)此装置还可用来验证牛顿第二定律，实验时通过改变________，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；通过改变________，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系．高频考点例析(3)将气垫导轨换成滑板，滑块A换成滑块A′，给滑块A′一沿滑板向上的初速度，A′的s－t图线如图3－4－6乙．图线不对称是由于____________造成的，通过图线可求得滑板的倾角θ＝________(用反三角函数表示)，滑块与滑板间的动摩擦因数μ＝________.高频考点例析图3－4－6高频考点例析(2)斜面高度h；滑块A的质量M及斜面的高度h，且使M·h不变．高频考点例析由上面的关系可以解出：θ＝arcsin0.6，μ＝0.3.【答案】见解析【方法总结】

(1)借助先进的科学仪器可将实验数据的测量变得简单易行．(2)虽然实验设备、实验条件不同，但验证牛顿第二定律的基本思想方法——控制变量法却是相同的．(3)既要善于利用图象处理实验数据，又要善于“读懂”实验图象，并进一步加以利用．高频考点例析很多人都认为“力越小速度就越小”，为了检验这个观点是否正确，某兴趣小组的同学设计了这样的实验方案：在水平桌面上放一小木块，小木块后端与穿过打点计时器的纸带相连，前端通过定滑轮与不可伸长的细线相连接，细线上不等间距地挂了五个钩码，其中第四个、第五个钩码之间的距离最大．起初木块停在靠近打点计时器的位置，第五题型三运用实验原理和实验方法的探究综合题例3高频考点例析个钩码到地面的距离小于木块到定滑轮的距离，如图3－4－7甲所示．启动打点计时器，木块在钩码的牵引下，由静止开始运动，所有钩码落地后，木块会继续运动一段距离．打点计时器使用的交流电频率为50Hz.图乙是实验得到的从第一个钩码落地到所有的钩码落地后木块连续运动一段距离的一段纸带，纸带运动方向如箭头所示．(g取10m/s2)回答下列问题：高频考点例析图3－4－7高频考点例析(1)在本实验方案中，在不可伸长的细线上挂五个钩码，使它们依次落地，而不用某个与五个钩码重量相同的一个钩码代替，这样做的目的是什么？_____________________________.(2)根据所提供纸带上的数据，判断第五个钩码落地可能出现在纸带上的哪一段？_______________________.高频考点例析(3)木块做匀减速运动时对应纸带上的计数点D11点到D15点．根据纸带上的数据，求木块与桌面间的动摩擦因数μ＝________.(4)若每个钩码的质量均为m0＝0.05kg，则木块质量M＝________kg.(5)简要分析所提供纸带上的数据，说明“力越小速度就越小”的观点是否正确？_______________________.高频考点例析【思路点拨】本题是将验证牛顿第二定律的实验原理和探究直线运动的速度随时间的变化规律、测定匀变速直线运动的加速度的实验原理巧妙综合起来．考查学生对木块在变力作用下的运动实验的理解及实验数据的分析、处理能力．从实验操作的题意和纸带标出的计数点，判断出各段表示的木块运动情况，进而联系到木块的受力情况，求加速度．高频考点例析【解析】

(1)木块在五个钩码的拉力作用下，先加速运动，随着钩码先后依次落地，绳对木块的拉力逐渐减小，木块所受绳的拉力和摩擦力的合力先减小，此时，对应纸带上的D1～D7段部分，做加速度减小的加速运动；题中说“第四个、第五个钩码之间的距离最大”与纸带上D7～D10段匀速、D10～D11变短、D11～D15段表示匀减速运动，结合起来考虑，就可形成木块正确的整个运动过程．在不可伸长的细绳上挂五个钩码，目的是使木块做加速运动，使受到的拉力逐渐减小．高频考点例析(2)由(1)分析知，第五个钩码落地出现在D10～D11.(3)由(1)分析知，D11～D15段为匀减速运动Δs＝D11D12－D12D13＝0