1、【 精品教育资源文库 】 第 4 讲 实验：验证牛顿运动定律 微知识 1 实验目的 1学会用控制变量法研究物理规律。 2验证牛顿第二定律。 3掌握利用图象处理数据的方法。 微知识 2 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 ，即先控制一个参量如小车的质量 m 不变，讨论加速度 a 与 力 F 的关系，再控制小桶和砂的质量不变，即力F 不变，改变小车质量 m，讨论加速度 a 与 质量 m 的关系。 微知识 3 实验器材 打点计时器，纸带，复写纸，小车，一端附有定滑轮的长木板，小桶，砂，夹子，细绳，低压交流电源，导线，天平 (带 有一套砝码 )，刻
2、度尺。 微知识 4 实验步骤及数据 1用天平测出小车和砝码的总质量 M，把数值记录下来。 2按图所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小桶的细绳系在车上，即不给小车加牵引力。 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 重力沿斜面向下的分力 平衡。 4把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，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。 5保持小车和砝码的质量不变，在小桶里放入适量的砂，使小桶和砂的总质量 远小于
3、小车和砝码的总质量，把小桶和砂的总质量 m 记录下来，重复步骤 4。在小桶内再放入适量砂，记录下小桶和砂的总质量 m ，再重复步骤 4。 【 精品教育资源文库 】 6重复步骤 5 三次，得到三条纸带。 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。 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 等于小桶和砂的总重力，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 。 9保持砂和小桶的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度 a，横坐标表示小车
4、和砝码总质量的倒数，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，就证明了加速度与质量成 反比 。 微知识 5 注意事项 1实验中一定要平衡摩擦力以减小实验误差。 2在实验中一定要注意使砂和小砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量。 3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，且在小车到达定滑轮 前按住小车。 4各纸带的加速度，都应是该纸带的平均加速度。 5作图象时，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线的两侧。 微知识 6 误差分析 1因实验原理不完善引起误差。以小车、小桶和砂整体为研究对象
5、得 mg (M m)a；以小车为研究对象得 F Ma；求得 F MM m mg 11 mM mg 乙 。 答案 (1)AD (2)远小于 (3)小于 大于 微考点 2 实验的迁移、拓展和创新 核 |心 |微 |讲 本实验 中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡摩擦力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器来测量，借助于计算机来处理。 典 |例 |微 |探 【例 2】 某物理课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有 N 5 个，每
6、个质量均为 0.010 kg。实验步骤如下： 【 精品教育资源文库 】 (1)将 5 个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车 (和钩码 )可以在木板上匀 速下滑。 (2)将 n(依次取 n 1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余 N n 个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，同时用传感器记录小车在时间 t 相对于其起始位置的位移 s，绘制 s t 图象，经数据处理后可得到相应的加速度 a。 (3)对应于不同的 n 的 a 值见下表。 n 2 时的 s t 图象如图乙所示；由图乙求出此时小车的加速度 (保留两位有效数字 )，将结果填入下表
7、。 n 1 2 3 4 5 a/(ms 2) 0.20 0.58 0.78 1.00 (4)利用表中的数据在图丙中补齐数 据点，并作出 a n 图象。从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。 【 精品教育资源文库 】 (5)利用 a n 图象求得小车 (空载 )的质量为 _ kg。 (保留两位有效数字，重力加速度 g 取 9.8 ms 2) (6)(多选 )若以 “ 保持木板水平 ” 来代替步骤 (1)，下列说法正确的是 _。 (填选项字母 ) A a n 图线不再是直线 B a n 图线仍是直线，但该直线不过原点 C a n 图线仍是直线，但该直线的斜率变大
8、【解题导思】 此实验与教材中实验对比，研究对象一样吗？ 答： 不一样 ，教材实验中研究对象是小车，此实验中的研究对象是小车和钩码 (包括悬挂的钩码 )。 解析 (3)实验中小车做匀加速直线运动，由于小车初速度为零，结合匀变速直线运动规律有 s 12at2，结合图乙得加速度 a 0.39 m/s2。 (5)由 (4)知，当物体质量一定，加速度与合外力成正比，得加速度 a 与 n 成正比，即 a n 图象为过原点的直线。 a n 图线的斜率 k 0.196 m/s2，平衡摩擦力后，下端所挂钩码的总重力提供小车的加速度， nm0g (M Nm0)a，解得 a m0gM Nm0n，则 k m0gM Nm0，可得 M0.45 kg。 (6)若未平衡摩擦力，则下端所挂钩码的总重力与小车所受摩擦力的合力提供小车的加速度，即 nm0g M (N n)m0g (M Nm0)a， 解得 a m0gM Nm0 n g ，可见图线截距不为零，其图线仍是直线，图线斜率相对平衡摩擦力时有所变大， B、 C 项正确。 答案 (3)0.39(0.37 0.40 均可 ) (4)a n 图线如图
