物理實驗四 驗證牛頓運動定律

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1、實驗四：驗證牛頓運動定律1.實驗?zāi)康?1)學(xué)會用控制變量法來研究物理規(guī)律.(2)學(xué)會靈活運用圖象法處理物理問題的方法.(3)探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，進而驗證牛頓第二定律.2.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.(1)控制小車的質(zhì)量 m 不變，討論_與_的關(guān)系.(2)控制桶和砂的質(zhì)量不變，即力F不變，改變_，討論_與_的關(guān)系.加速度 a力 F小車質(zhì)量 m加速度 a小車質(zhì)量 m3.實驗器材低壓交流天平刻度尺打點計時器、紙帶及復(fù)寫紙、小車、一端附有滑輪的長木板、小桶、細繩、砂、_電源、_、_、砝碼.4.實驗步驟及器材調(diào)整(1)用天平分別測出小車和小

2、桶的質(zhì)量 M 和 m，把數(shù)值記錄下來.(2)按圖 S4-1 所示把實驗器材安裝好.圖 S4-1(3)平衡摩擦力：在長木板的不帶滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復(fù)移動其位置，直至_(填“掛”或“不掛”)小桶的小車剛好在斜面上保持_運動為止.(4)將小桶通過細繩系在小車上，接通電源放開小車，使小車運動，用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶，并在紙帶上標上號碼.不掛勻速(5)保持小車的質(zhì)量不變，改變小桶中的砂量，測量砂和小桶質(zhì)量 m，重復(fù)步驟(4)，每次記錄必須在相應(yīng)的紙帶上做上標記，列表格將記錄的數(shù)據(jù)填寫在表內(nèi).(6) 建立坐標系，用縱坐標表示_ ，橫坐標表示_，在坐標系上描點，畫出相應(yīng)的圖象以驗證

3、_與_的關(guān)系.加速度力aF(7)保持砂及小桶的質(zhì)量不變，改變小車的質(zhì)量(在小車上增減砝碼)，重復(fù)上述步驟(5)、(6)，驗證_與_的關(guān)系.加速度 a小車質(zhì)量 M5.數(shù)據(jù)處理(1)利用xaT2及逐差法求 a.(2)以 a 為縱坐標，F(xiàn) 為橫坐標，根據(jù)各組數(shù)據(jù)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.(3)以 a 為縱坐標，1m為橫坐標，描點、連線，如果該線過原點，就能判定 a 與 m 成反比.6.注意事項(1)平衡摩擦力：適當墊高木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力.在平衡摩擦力時，不要把小桶系在小車上，而讓小車拉著打點的紙帶勻速運動，且在實

4、驗過程中，_重復(fù)平衡摩擦力.(2)實驗條件：每次實驗中均要求小車質(zhì)量 M_砂和小桶質(zhì)量 m，只有這樣，才能使牽引小車的牽引力近似等于砂及小桶的重力.不需要(3)一先一后一按：改變拉力或小車質(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_ ，后_，且應(yīng)在小車到達滑輪前按住小車.(4)作圖：作圖象時，應(yīng)使盡可能多的點在所作的直線上，不在直線上的點盡可能對稱分布在所作直線的兩側(cè).接通電源釋放小車7.誤差分析(1)系統(tǒng)誤差以小車和小桶整體為研究對象得 mg(Mm)a；以小車為的總重力 mg 代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小桶和砂的總重力.(2)偶然誤差質(zhì)量測量不準確、計數(shù)點間距測量

5、不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差.考點 1對實驗原理與實驗步驟的考查【典題 1】(2017 年山東泰安高三第二輪質(zhì)檢)在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，采用如圖 S4-2 所示的實驗裝置，小車及車中砝碼的質(zhì)量用 M 表示，砂和砂桶的質(zhì)量用 m 表示，小車的加速度可由小車后面拖動的紙帶計算出.圖 S4-2(1)實驗中，為了使細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，使細線與長木板平行.接下來還需要進行的一項操作是()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.改變砂桶中砂的多少，使小車在砂和砂桶的牽引下運動，從打出的紙帶判斷小車

6、是否做勻速運動B.將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?，讓小車連著已經(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?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)實驗中要進行質(zhì)量 m 和 M 的選取，以下最合理的一組是()A.M200 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 gB.M200 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gC.M400 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 gD.M400 g，m20

7、 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g(3)已知打點計時器使用的交變電流頻率為 50 Hz，每相鄰兩個計數(shù)點間還有 4 個點未畫出，利用如圖 S4-3 所示給出的數(shù)據(jù)可求出小車運動的加速度 a_m/s2.(計算結(jié)果保留 3位有效數(shù)字)圖 S4-3解析：(1)為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力，需要平衡摩擦力，其方法是：將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?，讓小車連著已經(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，故 B 正確.(2)為了使砂和砂桶的重力等于小車所受的拉力，應(yīng)滿足mM，故選 C.答案：(1)B (2)C

8、(3)1.58次序12345質(zhì)量M/g100140180200240加速度a/(ms2)1.000.670.530.480.4010.007.145.56_4.17考點 2對數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查【典題 2】在用圖 S4-4 所示裝置做“驗證牛頓第二定律”的實驗中：(1)甲同學(xué)在外力 F 一定的條件下，探究 a 與 M 的關(guān)系時，所得到的實驗結(jié)果如下表所示：外力 F0.1 N圖 S4-4圖 S4-5請你完善表中數(shù)據(jù)，并在圖 S4-5 中給出的坐標紙上畫出由圖象可得到的結(jié)論是_.(2)乙同學(xué)在探究“加速度與外力關(guān)系”的實驗中得到的a-F 圖象如圖 S4-6 所示，則該圖象中圖線不過原點的原因是

9、_，小車的質(zhì)量為_kg(計算結(jié)果保留 2 位有效數(shù)字).圖 S4-6答案：(1)5.00如圖 D21 所示.圖 D21在外力一定的情況下，物體的加速度與質(zhì)量成反比0.28(0.260.29 均(2)木板傾角過大(或平衡摩擦力過度)正確)【遷移拓展】(2014 年新課標卷)某同學(xué)利用如圖 S4-7甲所示實驗裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度 a 與鉤碼的質(zhì)量 m 的對應(yīng)關(guān)系圖，如圖乙所示.實驗中小車(含發(fā)射器)的質(zhì)量為 200 g，實驗時選擇了不可伸長的輕質(zhì)細繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機得到，回答下列問題：甲乙圖 S4-7(1) 根據(jù)該同學(xué)的結(jié)果，小車的加速度與鉤碼

10、的質(zhì)量成_(填“線性”或“非線性”)關(guān)系.(2)由圖乙可知，a-m 圖線不經(jīng)過原點，可能的原因是_.(3)若利用本實驗裝置來驗證“在小車質(zhì)量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結(jié)論，并直接以鉤碼所受重力 mg 作為小車受到的合外力，則實驗中應(yīng)采取的改進措施是_，鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是_.解析：本題考查了驗證牛頓第二定律的實驗.(1)根據(jù)圖中描出的各點作出的圖象不是一條直線，故小車的加速度和鉤碼的質(zhì)量成非線性關(guān)系.(2)圖象不過原點，小車受到拉力但沒有加速度，原因是有摩擦力的影響.(3)平衡摩擦力之后，在滿足鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下，可以得出在小車質(zhì)量不變的情況下拉力與加速度成正

11、比的結(jié)論.答案：(1)非線性(2)存在摩擦力(3)調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力遠小于小車的質(zhì)量1.實驗器材的創(chuàng)新：(1)利用光電門測滑塊上的遮光條通過光電門的時間.(2)利用氣墊導(dǎo)軌代替長木板.(3)利用力傳感器測繩中拉力大小.2.實驗原理的創(chuàng)新：利用力傳感器測出細線拉力或選取整體作為研究對象，消除了因不滿足 mM 而帶來的實驗誤差.3.數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新：考向 1利用力傳感器測量拉力的大小【典題 3】(2016 年廣東江門模擬)如圖 S4-8 所示是某同學(xué)探究加速度與力的關(guān)系的實驗裝置.他在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個光電門 B.滑塊上固定一遮光條，滑塊用細線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，

12、傳感器下方懸掛鉤碼，每次滑塊都從 A 處由靜止釋放.圖 S4-8(1)該同學(xué)用游標卡尺測量遮光條的寬度 d，如圖 S4-9 所示，則 d_mm.圖 S4-9(2)實驗時，將滑塊從 A 位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門 B 的時間 t，若要得到滑塊的加速度，還需要測量的物理量是_.(3)下列不必要的一項實驗要求是_.(請?zhí)顚戇x項前對應(yīng)的字母)A.應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量B.應(yīng)使 A 位置與光電門間的距離適當大些C.應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平D.應(yīng)使細線與氣墊導(dǎo)軌平行(4)改變鉤碼質(zhì)量，測出對應(yīng)的力傳感器的示數(shù) F 和遮光條通過光電門的時間 t，通過描點作出線性圖象，研究

13、滑塊的加速度與力的關(guān)系，處理數(shù)據(jù)時應(yīng)作出_圖象.(填“t2-F”解析：(1)由題圖知第 6 條刻度線與主尺對齊，d2 mm60.05 mm2.30 mm.(2)實驗時，將滑塊從 A 位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門 B 的時間 t，滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度可近似認為是滑塊經(jīng)過光電門的平均速度.根據(jù)運動學(xué)公式得若要得到滑塊的加速度，還需要測量的物理量是遮光條到光電門的距離 L.(3)拉力是直接通過力傳感器測量的，故與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無關(guān)，故 A 項不必要；應(yīng)使 A 位置與光電門間的距離適當大些，有利于減小誤差，故 B 項必要；應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，拉力才等于合力，故

14、C 項必要；要保持拉線方向與木板平面平行，拉力才等于合力，故 D 項必要.故選 A.答案：(1)2.30 (2)遮光條到光電門的距離 L (3)A考向 2選擇整體作為研究對象【典題 4 】(2016 年新課標卷) 某物理課外小組利用圖S4-10 中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系.圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼.本實驗中可用的鉤碼共有 N5 個，每個質(zhì)量均為0.010 kg.實驗步驟如下：(1)將 5 個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑.

15、圖 S4-10(2)將 n(依次取 n1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端，其余 Nn 個鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻 t 相對于其起始位置的位移 s，繪制 s-t 圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度 a.n12345a/(ms2)0.20_0.580.781.00(3)對應(yīng)于不同的 n 的 a 值見下表.n2 時的 s-t 圖象如圖S4-11 甲所示；由圖甲求出此時小車的加速度(計算結(jié)果保留 2位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表.(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖乙中補齊數(shù)據(jù)點，并作出 a-n 圖象.從圖象可以看出：當物體質(zhì)量一定時，物體的加速度

16、與其所受的合外力成正比.甲乙圖 S4-11(5)利用 a-n 圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為_kg(計算結(jié)果保留 2 位有效數(shù)字，重力加速度 g 取 9.8 m/s2).(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是 _(填正確選項前的序號).A.a-n 圖線不再是直線B.a-n 圖線仍是直線，但該直線不過原點C.a-n 圖線仍是直線，但該直線的斜率變大當 t2 s 時，s0.78 m，代入解得 a0.39 m/s2.(4)由題意知描點法作圖所得的必須是一條直線.(5)對于掛在下面的 n 個鉤碼，有 nmgFnma；對于小車(含剩下的鉤碼)，有 FM(Nn)ma；兩式相加得 nmg

17、(MNm)a；(6)木板水平時要考慮摩擦力的影響，對于掛在下面的 n 個鉤碼，有 nmgFnma；對于小車(含剩下的鉤碼)，有 F M(Nn)mgM(Nn)ma；兩式相加得 nmgM(Nn)mg(MNm)a，去中括號得 n(mgmg)(MNm)g(MNm)a，移項化簡得 n(mgmg)(MNm)(ag)，可見 a-n 圖象仍是一條直線，但其斜率要變大，且不過坐標原點.答案：(3)0.39(0.370.49 均正確)(4)如圖 S4-12 所示.(5)0.45(0.430.47 均正確)(6)BC圖 S4-12方法技巧：本實驗還可以從以下兩個方面創(chuàng)新：(1)實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新：測木塊與木板間的動摩擦因數(shù).(2)實驗器材的創(chuàng)新利用位移傳感器測物體的位移.利用傳感器測物體的速度或加速度.