牛頓定律實(shí)驗(yàn)

【知識(shí)點(diǎn)六】牛頓運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)原理與方法驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，即F=Ma,當(dāng)研究對(duì)象有兩個(gè)以上的參量發(fā)生變化時(shí)，設(shè)法控制某些參量使之不變，而研究另外兩個(gè)參量之間的變化關(guān)系的方法叫控制變量法.本實(shí)驗(yàn)中有力F、質(zhì)量M和加速度a三個(gè)變量，研究加速度a與F及M的關(guān)系時(shí)，先控制質(zhì)量M不變，討論加速度a與力F的關(guān)系；然后再控制力F不變，討論加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量和測(cè)量方法是：小車及砝碼的總質(zhì)量M；用天平測(cè)出."小車受到的拉力F認(rèn)為等于托盤(pán)和砝碼的總重力mg.訊小車的加速度a利用紙帶根據(jù)As=aT2計(jì)算.』卜二2實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙片、小車、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、重物、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺、砝碼.3實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理用天平測(cè)出小車和砝碼的總質(zhì)量M，小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m，把數(shù)值記錄下來(lái).按如圖所示把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在車上，即不給小車加牽引力.平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板.反復(fù)移動(dòng)木板的位置，直至小車在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).這時(shí)，小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力恰好與小車所受的重力在斜面方向上的分力平衡.把細(xì)繩系在小車上并繞過(guò)滑輪懸掛小盤(pán)，先接通電源再放開(kāi)小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn)，打完點(diǎn)后切斷電源，取下紙帶，在紙帶上標(biāo)上紙帶號(hào)碼.保持小車和砝碼的質(zhì)量不變，在小盤(pán)里放入適量的砝碼，把小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m'記錄下來(lái)，重復(fù)步驟4.在小桶內(nèi)再放入適量砝碼，記錄下小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m”，再重復(fù)步驟4.重復(fù)步驟5兩次，得到三條紙帶.在每條紙帶上都選取一段比較理想的部分，標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，算出每條紙帶上的加速度的值.用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示作用力F，作用力的大小F等于小盤(pán)和砝碼的總重力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上畫(huà)出相應(yīng)的點(diǎn)，如果這些點(diǎn)是在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，便證明了加速度與作用力成正比.保持小盤(pán)和砝碼的質(zhì)量不變，在小車上加砝碼，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示小車和砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上畫(huà)出相應(yīng)的點(diǎn).如果這些點(diǎn)是在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，就證明了加速度與質(zhì)量成反比.交流與思考:若由實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫(huà)出的小車運(yùn)動(dòng)的a-F圖線是一條并不過(guò)原點(diǎn)的直線，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中存在什么問(wèn)題？圖線1a——的斜率有何物理意義？實(shí)驗(yàn)中并不畫(huà)出a-M圖線，而是畫(huà)出M圖線，這包含了哪些物理思想方法？4注意事項(xiàng)一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個(gè)合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力.在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤(pán)的細(xì)線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點(diǎn)的紙帶運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)步驟2、3不需要重復(fù)，即整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力.每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量的條件下打出.只有如此，小盤(pán)和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力.改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，再放開(kāi)小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車.作圖象時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)分布在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對(duì)稱分布在所作直線兩側(cè)作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要選擇適當(dāng)，各量須采用國(guó)際單位.這樣作圖線時(shí)，坐標(biāo)點(diǎn)間距不至于過(guò)密，誤差會(huì)小些.為提高測(cè)量精度a應(yīng)舍掉紙帶上開(kāi)頭比較密集的點(diǎn)，在后邊便于測(cè)量的地方找一個(gè)起點(diǎn).b可以把每打五次點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間單位，即從開(kāi)始點(diǎn)起，每五個(gè)點(diǎn)標(biāo)出一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，而相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén)=0.1s.5誤差分析質(zhì)量的測(cè)量誤差紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測(cè)量誤差，拉線或紙帶不與木板平行等都會(huì)造成誤差.因?qū)嶒?yàn)原理不完善造成誤差本實(shí)驗(yàn)中用小盤(pán)和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實(shí)際上小車受到的拉力要小于小盤(pán)和砝碼的總重力)，存在系統(tǒng)誤差.小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量，誤差就越大；小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量誤差就越小.3.平衡摩擦力不準(zhǔn)造成誤差在平衡摩擦力時(shí)，除了不掛小盤(pán)外；其他的都跟正式實(shí)驗(yàn)一樣(比如要掛好紙帶、接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)，勻速運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上各點(diǎn)的距離相等.交流與思考：為何小盤(pán)及砝碼的重力不等于繩子的拉力？如何才能減小由此造成的測(cè)量誤差？【例】在“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的實(shí)驗(yàn)中，采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置./叫、實(shí)驗(yàn)裝置小車及車中砝碼的質(zhì)量用M表示，盤(pán)及盤(pán)中砝碼的質(zhì)量用m表示，小車的加速度可由小車后拖動(dòng)的紙帶打上的點(diǎn)計(jì)算出.當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足時(shí)，才可以認(rèn)為繩對(duì)小車的拉力大小等于盤(pán)及盤(pán)中砝碼的重力.一組同學(xué)在做加速度與質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持盤(pán)及盤(pán)中砝碼的質(zhì)量一定，改變小車及車中砝碼的質(zhì)量，測(cè)出相應(yīng)的加速度，采用圖象法處理數(shù)據(jù).為了比較容易地檢查出加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系，應(yīng)該作a與的圖象.(3)如圖(a)所示為甲同學(xué)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作出的aF圖線，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題是(4)乙、丙同學(xué)用同一裝置做實(shí)驗(yàn)，畫(huà)出了各自得到的a-F圖線如圖所示，兩個(gè)同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)的哪一個(gè)物理量取值不同？【例】某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究物體的加速度與物體的質(zhì)量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，不改變拉力，只改變物體的質(zhì)量，得到了如下表所示的幾組數(shù)據(jù)，其中第3組數(shù)據(jù)還未算出加速度，但對(duì)應(yīng)該組已打出了紙帶，如圖3-4-4(長(zhǎng)度單位：cm)，圖中各點(diǎn)為每5個(gè)打點(diǎn)選出的計(jì)數(shù)點(diǎn)(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4理量取值不同？【例】某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究物體的加速度與物體的質(zhì)量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，不改變拉力，只改變物體的質(zhì)量，得到了如下表所示的幾組數(shù)據(jù)，其中第3組數(shù)據(jù)還未算出加速度，但對(duì)應(yīng)該組已打出了紙帶，如圖3-4-4(長(zhǎng)度單位：cm)，圖中各點(diǎn)為每5個(gè)打點(diǎn)選出的計(jì)數(shù)點(diǎn)(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)打點(diǎn)未標(biāo)出).實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456小車質(zhì)量(g)200300400500600700小車加速度(m/s2)2.001.330.790.670.40小車質(zhì)量的倒數(shù)(kg-i)5.003.332.502.001.671.00OABCDE1.00A3.01<—6.03―?10.02?v15.01a20.98（單位:cm）請(qǐng)由紙帶上的數(shù)據(jù)，計(jì)算出缺少的加速度值并填入表中(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位數(shù)).請(qǐng)?jiān)趫D3-4-5中建立合適的坐標(biāo)，將表中各組數(shù)據(jù)用小黑點(diǎn)描在坐標(biāo)紙上，并作出平滑的圖線.由圖象得出的結(jié)論是：.【例】若測(cè)得某一物體質(zhì)量M一定時(shí)，a與F的有關(guān)數(shù)據(jù)資料如下表所示.a/(ms2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖所示坐標(biāo)中畫(huà)出a-F圖象.(2)根據(jù)圖象判定：M一定時(shí)，a與F的關(guān)系為.【例】“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示(1)在平衡小車與桌面之間摩擦力的過(guò)程中，打出了一條紙袋如圖乙所示。計(jì)時(shí)器大點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02s.從比較清晰的點(diǎn)起，每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，量出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離。該小車的加速度a=m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)g-打.4豈串的1u—'__待…‘半一)r齡舊I即位：皿)n11(第11蹲圖乙)(第I】題圖甲)(2)平衡摩擦力后，將5個(gè)相同的砝碼都放在小車上.掛上砝碼盤(pán)，然后每次從小車上取一個(gè)砝碼添加