實驗四：驗證牛頓運動定律

1、實驗四：驗證牛頓運動定律1實驗目的：學會用控制變量法來研究物理規(guī)律；探究加速度與力、質量的關系，進而驗證牛頓第二定律2實驗原理：利用沙及沙桶通過細線牽引小車做加速運動，采用控制變量法研究物體的加速度與合外力、物體的質量關系如圖 S41 所示，通過適當?shù)恼{節(jié)，使小車所受的阻力忽略，使小車 M 和小桶 m 都做加速運動mgMmMg m 對小桶：mgTma 對小車：TMa 聯(lián)立知amMmT= =MmgMmmg1M由可知：當 Mm 時，可近似認為小車所受的拉力 Tmg，即小車所受的合外力 F 合mg.圖 S41本實驗第一部分保持小車的質量不變，改變 m 的大小，測出相應的加速度 a，驗證 a 與 F

2、的關系；第二部分保持 m 不變，改變 M 的大小，測出小車運動的加速度 a，驗證 a 與 M 的關系3實驗器材打點計時器、紙帶及復寫紙、小車、一端附有滑輪的長木板、小桶、細繩、沙、低壓交流電源、天平、刻度尺、砝碼4實驗步驟及器材調整(1)用天平分別測出小車和小桶的質量 M 和 m，把數(shù)值記錄下來(2)按圖 S42 所示把實驗器材安裝好圖 S42(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，反復移動其位置，直至不掛小桶的小車剛好在斜面上保持勻速運動為止.(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(5)保持小

3、車的質量不變，改變小桶中的沙量，重復步驟(4)，每次記錄必須在相應的紙帶上做上標記，列表格將記錄的數(shù)據(jù)填寫在表內(6)建立坐標系，用縱坐標表示加速度，橫坐標表示力，在坐標系上描點，畫出相應的圖線以驗證 a 與 F 的關系.(7)保持沙及小桶的質量不變，改變小車的質量(在小車上增減砝碼)，重復上述步驟(5)、(6)，驗證 a 與 M 的關系5注意事項(1)在本實驗中，必須平衡摩擦力，方法是將長木板的一端墊起，而墊起的位置要恰當在位置確定以后，不能再更換傾角；平衡摩擦力時不要掛小桶，應連著紙帶，且接通電源(2)改變 m 和 M 的大小時，每次小車開始釋放時應盡量靠近打點計時器，而且先通電再放小車.

4、(3)作圖象時，要使盡可能多的點在所作的直線上，不在直線上的點應盡可能對稱分布在所作直線的兩側，個別誤差較大的點應舍去6數(shù)據(jù)處理及誤差分析Mm，只有這樣，才能使牽引小車的牽引力近似等于沙及小桶的重力(2)在平衡摩擦力時，墊起的物體的位置要適當，長木板形成的傾角既不能太大也不能太小，同時每次改變 M 時，不再重復平衡摩擦力樣才能使圖象更直觀.【跟蹤訓練】1(雙選，東莞五校2011 屆高三聯(lián)考)某同學設計了一個探究小車加速度 a 與小車所受拉力 F 及質量 m 關系的實驗，圖S43 為實驗裝置簡圖他想用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，為了減小這種做法帶來的實驗誤差，你認為下列說法正確的兩項是()圖

5、 S43A要平衡摩擦力B實驗時不需要平衡摩擦力C鉤碼的重力要遠小于小車的總重力D實驗進行時應先釋放小車再接通電源答案：AC2如圖 S44 甲所示，物體放在不光滑水平面上，先施加一水平向右的恒力 F，則物體所受的合外力為 F 嗎？ 若物體(具有一定的初速度)放在傾角為的斜面上，恰能勻速下滑，則物體所受的合外力為多少？若此時再加一個沿斜面向下的拉力F，如圖 S44 乙所示，此時物體受到的合力為 F 嗎？圖 S44答案：在圖甲中，物體由于還要受到摩擦力作用，合力不是 F；而在圖乙中因為物體已經可以勻速下滑，由牛頓第一定律可知，物體所受合力為零，因此，再加一個力 F 就是物體受到的合力大小3用如圖 S

6、45 甲所示的實驗裝置來驗證牛頓第二定律，為消除摩擦力的影響，實驗前必須平衡摩擦力圖 S45(1)某同學平衡摩擦力時是這樣操作的：將小車靜止地放在水平長木板上，把木板不帶滑輪的一端慢慢墊高，如圖 S45乙，直到小車由靜止開始沿木板向下滑動為止請問這位同學的操作是否正確？如果不正確，應當如何進行？答：_.(2)如果這位同學先如(1)中的操作，然后不斷改變對小車的拉力 F，他得到 M(小車質量)保持不變情況下的 aF 圖線是下圖中的_(將選項代號的字母填在橫線上)(3)打點計時器使用的交流電頻率 f50 Hz.圖 S46 是某同學在正確操作下獲得的一條紙帶，A、B、C、D、E 每兩點之間還有 4

7、個點沒有標出寫出用 s1、s2、s3、s4 以及 f 來表示小車加速度的計算式：a_.根據(jù)紙帶所提供的數(shù)據(jù)，算得小車的加速度大小為_m/s2(結果保留兩位有效數(shù)字)圖 S46解析：(1)平衡摩擦力的要點是把有打點計時器的那一端適當抬高，給小車一個初速度，小車能勻速下滑，則小車所受摩擦力和小車的重力沿斜面向下的分力平衡，則可認為小車所受繩子的拉力等于小車所受的合外力，達到平衡摩擦力的作用(2)該同學做實驗時實際上是平衡摩擦力過度，故沒有拉力F 之前已經有加速度，故 C 正確(3)采用“逐差法”得計算加速度的表達式a(s3s4)(s1s2) f 2代入數(shù)據(jù)解得 a0.60 m/s2.1.0104答

8、案：(1)該同學的操作不正確，正確的操作應該為給小車一個初速度，小車能夠勻速下滑(2)C(3)(s3s4)(s1s2) f21.01040.60題型 1 驗證牛頓第二定律【例 1】(廣東五校 2011 屆高三聯(lián)考)某同學設計了一個探究加速度 a 與物體所受合力 F 及質量 m 關系的實驗,圖 S47 為實驗裝置簡圖(交流電的頻率為 50 Hz，打點時間間隔為 0.02 s)圖 S47(1)圖 S48 為某次實驗得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為_m/s2.(保留兩位有效數(shù)字)圖 S48(2)保持沙和沙桶質量不變，改變小車質量 m，分別得到小車加速度 a 與質量 m 及對應的數(shù)據(jù)，如何

9、利用這些數(shù)據(jù)才能比較直觀地確定小車加速度 a 與質量 m 之間的關系呢？_.(3)保持小車質量不變，改變沙和沙桶質量，甲、乙兩位同學根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分別作出了加速度 a 隨合力 F 的變化圖線如圖S49 所示圖 S49 甲中的圖線上部出現(xiàn)了彎曲偏離了原來的直線，其主要原因是_圖 S49 乙中的圖線不通過原點，其主要原是_圖 S49數(shù)之間的關系圖象(3)圖 S49 甲中圖線后半段偏離直線是沒有滿足沙和沙桶的質量要遠小于車的質量這個條件造成的;圖 S49 乙圖線存在明顯的橫截距,說明實驗前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分(3)沙和沙桶的質量沒有遠小于車的質量實驗前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)備考策

10、略：驗證牛頓第二定律的實驗一般都會利用打點計時器和小車來進行實驗，考查的重點是利用紙帶求解速度、加速度及誤差分析與如何平衡摩擦力等【觸類旁通】1(2011 年廣州一模)用圖 S410 所示的實驗裝置來驗證牛頓第二定律沙桶勻速直線(1)為消除摩擦力的影響，實驗前平衡摩擦力的具體操作為：取下_，把木板不帶滑輪的一端適當墊高并反復調節(jié)，直到輕推小車后，小車能沿木板做_運動圖 S4104.01.23.61.12.00.61.40.41.00.3小為_N(計算結果保留兩位有效數(shù)字)0.30(0.280.32 均可)圖 16答案：描點、連線如圖 16 所示圖 S411題型 2 涉及傳感器、光電門實驗的新題

11、型【例 2】(泰州 2011 屆高三一模)光電計時器是一種研究物體運動情況的常用計時儀器，其結構如圖 S412 所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當有物體從 a、b 間通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間圖 S412現(xiàn)利用如圖 S413 所示裝置測量滑塊與長 1 m 左右的木板間動摩擦因數(shù)及被壓縮彈簧的彈性勢能，圖中木板固定在水平面上，木板的左壁固定有一個處于鎖定狀態(tài)的壓縮輕彈簧(彈簧長度與木板相比可忽略)，彈簧右端與滑塊接觸，1 和 2 是固定在木板上適當位置的兩個光電門，與之連接的兩個光電計時器沒有畫出現(xiàn)使彈簧解除鎖定，滑塊獲得一定的初速度后，水平向右運動，光電門 1、2

12、 各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為 2.0102 s 和 5.0102 s，已知小滑塊的寬度 d5.50 cm.圖 S413(1)滑塊通過光電門 1 的速度 v1_m/s；滑塊通過光電門 2 的速度 v2_m/s.(2)若用米尺測量出兩個光電門之間的距離為 l，已知當?shù)氐闹亓铀贋?g，則滑塊與木板間動摩擦因數(shù)表達式為_(各量均用字母表示)(3)若用米尺測量出滑塊初始位置到光電門 2 的距離為 s，為測量被壓縮彈簧的彈性勢能，還需測量的物理量是_(說明其含義，并指明代表物理量的字母)，被壓縮彈簧的彈性勢能可表示為_(各量均用字母表示)(3)還需測量的物理量是滑塊的質量 m，根據(jù)功能原理，彈

13、簧壓縮最短時的彈性勢能 Ep 全部轉化為滑塊的動能和克服摩擦力做功，滑塊由初始位置到光電門 2 位置時有備考策略：光電門、光電計時器及傳感器是粵教版教材新引進的器材和實驗，在未來高考命題中出現(xiàn)的幾率較大本題敘述過程較復雜，主要涉及的過程：一是彈簧鎖定解除，滑塊彈出過程；二是滑塊運動并經過光電門過程涉及的知識點：平均速度與瞬時速度的關系；牛頓第二定律；勻變速運動規(guī)律；功能原理本題是近年高考中經常出現(xiàn)的信息題的一種，如何學會正確閱讀并找出有效信息和規(guī)律是近年高考命題者常思考的一個重要問題，專家們想通過這類命題來引導學生提高閱讀和理解能力，學會化繁為簡，這也是提高創(chuàng)新能力的重要途徑之一【觸類旁通】2

14、某實驗小組利用如圖 S414 所示的實驗裝置來探究當合外力一定時，物體運動的加速度與其質量之間的關系圖 S414圖 S415(1)由圖 S414 中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離s 24 cm ，由圖 S4 15 中游標卡尺測得遮光條的寬度 d _cm.該實驗小組在做實驗時，將滑塊從圖 S414 所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器可以讀出遮光條通過光電門 10.52的時間t1，遮光條通過光電門 2 的時間t2，則滑塊經過光電門1 時的瞬時速度的表達式 v1_，滑塊經過光電門 2時的瞬時速度的表達式 v2_，則滑塊的加速度的表達式 a_.(以上表達式均用字母表示)(2)在本次實驗中，實驗小組通過改變滑塊質量總共做了 6組實驗,得到如下表所示的實驗數(shù)據(jù)