1、实验四 验证牛顿运动定律 【实验目的】1.学会利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.学会利用图象法处理实验数据的方法。【实验原理】1.保持质量不变，探究加速度a与合外力F的关系。2.保持合外力不变，探究加速度a与质量M的关系。3.作出a-F图象和a-图象，确定a与F、M的关系。1M【实验器材】小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺。【实验过程】1.称量质量：用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M。2.仪器安装：按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细线系在小车上(即不给小车牵引力)。3.平衡
2、摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车在斜面上做匀速直线运动。4.操作记录：(1)把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，小盘里放砝码，先接通电源再放开小车，取纸带，编号码。(2)保持小车的质量M不变，改变小盘中砝码的重力，重复步骤(1)，由纸带计算出小车的加速度，并把力和对应的加速度填入表(一)中。(3)保持小盘和砝码质量m不变，改变小车和砝码的总质量M，重复以上步骤，并将所对应的质量和加速度填入表(二)中。表(一)实验次数加速度a/(ms-2)小车受力F/N1234表(二)实验次数加速度a/(ms-2)小车和小车上砝码的总质量M/kg123【数据处理】1.计算加速度：先在
3、纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。2.作图象找关系：根据记录的各组对应的加速度a与小 车所受牵引力F，建立直角坐标系，描点画a-F图象。如果图象是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与 作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度a与小 车和小车上砝码总质量M，建立直角坐标系，描点画 a-图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，就 证明了加速度与质量成反比。1M【误差分析】1.偶然误差：(1)摩擦力平衡不准确，故在平衡摩擦力时，不给小车牵引力，使打点计时器打出的纸带点迹间隔均匀。(2)质量测量以及计数点间距测量不准确，故要采取多次测量取平均值。(3)作图不准
4、确，故在描点作图时，要用坐标纸，使尽量多的点落在直线上，不在直线上的点均匀分布两侧，舍去偶然误差较大的点。2.系统误差：因实验原理不完善引起的误差。本实验用小盘和砝码的总重力mg代替对小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力，故要满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量。【注意事项】(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车受到的阻力。在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着打点的纸带匀速运动，不需要重复平衡摩擦力。平衡摩擦力的目的是使绳的拉力为小车所受合力。(2)Mm的目的是使绳的拉力近似等于小盘和小盘内砝码的重力。(3)
5、小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再释放小车。热点一 教材原型实验 典例1(2018开封模拟)某同学用如图甲所示的装置探究“加速度与力和质量的关系”。(1)该实验开始前需要平衡摩擦力，在平衡摩擦力的时候_(选填“需要”或“不需要”)挂砂桶。(2)实验中打出的一条纸带的一部分如图乙所示。纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C，相邻计数点之间还有4个点没有标出，打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上，则打点计时器打B点时，小车的速度vB=_m/s。(3)该同学探究“小车的加速度与所受合力的关系”时，通过测量和处理实验数据，得到如图丙所示的a-F图线，发现图线不过坐标原点，请分析其原因是
6、：_，该图线斜率的物理意义是：_。【解析】(1)平衡摩擦力的目的是使小车所受合力为绳的拉力，所以不需要挂砂桶；(2)B点的瞬时速度即为AC段的平均速度 vB=0.44 m/s；ACx2T(3)由图象可知，拉力F小于0.1 N时，小车没有加速度，所以未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(斜面倾角过小)，由牛顿第二定律可知，图象斜率为小车质量的倒数。答案：(1)不需要(2)0.44(0.430.45)(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(斜面倾角过小)小车质量的倒数【解题通法】依据实验目的确定实验步骤，需要拉力作为合力，则需要平衡摩擦力，需要以砂桶和砂的重力近似等于拉力，则需要砂桶和砂的质量远小于小车质量。
7、热点二 创新拓展实验 装置时代化 求解智能化1.平衡摩擦力：靠小车重力的下滑分力平 衡摩擦力气垫导轨减小摩擦力 2.加速度测量法：通过打点纸带求加速度 测定通过的时间，由a=求出加速度小车的加速度由位移传感器 及与之相连的计算机得到 2221ddtt2s（）（）题型1 光电门 典例2(2019昆明模拟)与打点计时器一样，光电计 时器也是一种研究物体运动情况时的常用计时仪器，如图甲所示。现利用如图乙所示的装置验证滑块所受 外力做功与其动能变化的关系。方法是：在滑块上安 装一遮光板，把滑块放在水平放置的气垫导轨上(滑块 在该导轨上运动时所受阻力可忽略)，通过跨过定滑轮 的细绳与钩码相连，连接好1、
8、2两个光电门，在图示位置释放滑块后，光电计时器记录下滑块上的遮光板先后通过两个光电门的时间分别为 t1、t2。已知滑块(含遮光板)质量为M，钩码质量为m，两光电门间距为s，遮光板宽度为L，当地的重力加速度为g。(1)用游标卡尺(20分度)测量遮光板宽度，刻度如图丙所示，读数为_mm。(2)本实验想用钩码的重力表示滑块受到的合外力，为减小这种做法带来的误差，实验中需要满足的条件是M_(选填“大于”“远大于”“小于”或“远小于”)m。(3)计算滑块先后通过两个光电门时的瞬时速度的表达式为：v1=_，v2=_。(用题中所给字母表示)(4)本实验中，验证滑块运动的动能定理的表达式为_。(用题中所给字母
9、表示)【创新角度分析】测量瞬时速度仪器由打点计时器改为光电门，遮光板宽度与挡光时间比值为瞬时速度。【解析】(1)遮光板宽度为：0.5 cm+0.05 mm14=0.570 cm=5.70 mm。(2)设钩码的质量为m，滑块的质量为M，对系统运用 牛顿第二定律得，a=则绳子的拉力T=Ma=当mM时，绳子的拉力近似等于钩码的重力。mgMm，mgm1M，(3)滑块通过光电门1的瞬时速度v1=，通过光 电门2的瞬时速度v2=；(4)钩码重力势能的减小量为mgs，滑块动能的增加 量为 M()2-M()2，则滑块运动的动能定理的表达式为 mgs=M()2-M()2。1Lt2Lt2Lt121Lt121212
10、1Lt2Lt答案：(1)5.70(2)远大于(3)(4)mgs=M()2-M()2 12121Lt2Lt1Lt2Lt题型2 拉力传感器 典例3 如图是某同学用来探究“小车的加速度与外力关系”的实验装置，轨道上的B点固定一光电门，平衡摩擦力后将连接小车的细线跨过滑轮系住小钩码，在A点释放小车，测出小车上挡光片通过光电门的时间为 t。(1)若挡光片的宽度为d，挡光片前端距光电门的距离为L，则小车的加速度a=_。(2)在该实验中，下列操作中正确的是()A.要用天平称量小车质量 B.每次改变钩码，都不需要测量其质量(或重力)C.调节滑轮的高度，使细线与轨道平行 D.每次小车从A点出发允许有不同的初速度【创新角度分析】小车所受拉力可用拉力传感器精确测量，不需要再近似等于钩码的重力，因此不需要钩码质量远小于小车质量。【解析】(1)根据匀变速公式，v2=2aL，其中v=解得a=dt，22d2L t。(2)选B、C。实验探究“小车的加速度与外力关系”不需要小车质量，A选项错误；实验装置有拉力传感器，不需要测量钩码质量(或重力)，B选项正确；实验要求拉力为小车所受合力，细线应与轨道平行，C选项正确；每次小车释放速度应该为零，D选项错误。答案：(1)(2)B、C 22d2L t