1、第5讲实验：验证牛顿第二定律,知识梳理,1.某研究性学习小组用如图所示的装置探究牛顿第二定律。该小组在实验中确定的研究对象是小车,而且认为细线对小车的拉力等于砂桶和砂的总重力,也是小车所受的合外力,则对该实验,以下说法中不正确的是?()A.在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板,反复移动木板的位置,直到小车在砂桶和砂的拉动下带动纸带做匀速直线运动,以平衡小车运,动中受到的摩擦力B.实验中必须使砂桶和砂的总质量远小于小车的质量C.细线对小车的真实拉力一定略小于砂桶和砂的总重力D.该实验是应用“控制变量法”来探究牛顿第二定律的,A,答案A把长木板一端垫高是为了平衡摩擦力,应该在不挂砂桶的情况下平衡
2、摩擦力,使小车拖动纸带做匀速运动。,2.“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。?甲,(1)在平衡小车与木板之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02 s。从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a=0.16m/s2(结果保留两位有效数字)。(2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表:,请根据实验数据作出a-F的关系图像。?(3)根据提供的实验数据作出的a-F图线不通过
3、原点,请说明主要原因。,答案(1)0.16(0.15也算对)(2)如图所示?(3)未计入砝码盘的重力,解析(1)a=?=? m/s2=0.16 m/s2,或a=?=? m/s2=0.15 m/s2。(2)见答案。(3)实验时应测出砝码盘和砝码的总重力,而表中数据漏计了砝码盘的重力,导致合力F的测量值小于真实值,a-F图线不过原点。,深化拓展,考点一实验的注意事项,考点二实验的创新方案,深化拓展考点一实验的注意事项1.为什么只有当小车的质量远大于小盘和砝码总质量时,才可认为小盘和砝码的重力近似等于小车受到的拉力呢?分析:根据牛顿第二定律,对小盘和砝码:mg-F=ma?对小车:F=Ma?由两式得:
4、F=?=?mg所以只有当M?m时,Fmg。,2.本实验为什么画a-?图像而不画a-M图像。分析:实验中作出的是a-?图像。因为a-M图像是一条曲线,而根据曲线不好确定两个量的关系,这种情况下物理实验数据的处理多采用“化曲为直”的思想,作a-?图像。,1-1某同学设计了一个探究小车的加速度a与小车所受拉力F及质量m关系的实验,图(a)为实验装置简图。(所用交流电的频率为50 Hz)?图(a),图(b)(1)为了研究加速度和质量的关系,在实验中必须采用控制变量法,应保持拉力F不变,用砂桶及砂所受的重力作为小车所受拉力,图(b)为某次实验得到的纸带,实验数据如图,图中相邻计数点之间还有4个点未画出,
5、根据纸带可求出小车的加速度大小为0.64m/s2。(保留三位有效数字)(2)在本次实验中,实验小组通过改变小车质量共做了8组实验,得到下表所示的实验数据,通过分析表中数据,你得出的结论是: 。,在小车所受外力不变的条件下,加速度与质量成反比例关系a-,现需通过图像进一步验证你的结论,可利用表格数据作图,应在坐标纸中画出图线。,(3)在某次实验中为研究加速度和力的关系,根据测得的多组数据可画出a-F关系图线,如图所示,此图线的AB段明显偏离直线,造成此误差的主要原因是?()?A.小车与木板之间存在摩擦,B.木板保持了水平状态C.所挂砂桶的总质量太大D.所用小车的质量太大,C,答案(1)拉力F小车
6、所受拉力0.64(2)在小车所受外力不变的条件下,加速度与质量成反比例关系a-?(3)C,解析(1)采用控制变量法研究加速度与质量的关系,需将外力F保持不变。平衡摩擦力后,可将砂桶及砂的重力作为小车所受拉力;纸带上有六组数据,充分利用数据,采用“逐差法”计算,a=?=0.64 m/s2。(2)通过1、5、7组数据,可看到质量加倍,加速度在误差范围内减半,故加速度与质量成反比例关系;a-m图线为曲线,并不能说明是成反比例关系,故应作a-? 图线。(3)由于OA段a-F关系图线为一倾斜的线段,所以在质量不变的条件下,加速度与外力成正比;AB段明显偏离直线是由于所挂砂桶的总质量太大,没有满足M?m造
7、成的。,1-2(2016北京海淀期中,12)实验小组的同学在“验证牛顿第二定律”实验中,使用了如图所示的实验装置。?(1)在下列测量工具中,本次实验需要用的测量仪器有BD。(选填测量仪器前的字母),A.游标卡尺B.刻度尺C.秒表D.天平(2)实验中,为了可以将细线对小车的拉力看成是小车所受的合外力,某同学先调节长木板一端滑轮的高度,使细线与长木板平行。接下来还需要进行的一项必须且正确的操作是B。(选填选项前的字母)A.将长木板水平放置,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,给打点计时器通电,调节砂和砂桶的总质量的大小,使小车在砂和砂桶的牵引下运动,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B.将长木板的
8、右端垫起适当的高度,让小车连着已经穿过打点计时器的,纸带,撤去砂和砂桶,给打点计时器通电,轻推一下小车,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动C.将长木板的右端垫起适当的高度,撤去纸带以及砂和砂桶,轻推一下小车,观察判断小车是否做匀速运动(3)某同学在做保持小车质量不变,验证小车的加速度与其合外力成正比的实验时,根据测得的数据作出如图所示的 a-F 图线,所得的图线既不过原点,又不是直线,原因可能是AD。(选填选项前的字母),A.木板右端所垫物体较低,使得木板的倾角偏小B.木板右端所垫物体较高,使得木板的倾角偏大C.小车质量远大于砂和砂桶的质量D.砂和砂桶的质量不满足远小于小车质量(4)在某次利用
9、上述已调整好的装置进行实验中,保持砂和砂桶的总质量不变,小车自身的质量为M且保持不变,改变小车中砝码的质量m,并测出小车中放不同质量砝码时所对应的加速度a,以m为横坐标,?为纵坐标,在坐标纸上作出如图所示的?-m关系图线,实验结果验证了牛顿第二定律。如果图中纵轴上的截距为b,则小车受到的拉力大小为。,答案(1)BD(2)B(3)AD (4),解析(1)验证牛顿第二定律实验中,需要用刻度尺测纸带上点之间的距离,需要用天平测物体的质量,故选B、D。(2)在实验中,必须有平衡摩擦力这个环节,其中B选项就是为了这个目的。(3)a-F图线出现横轴截距,说明平衡摩擦力不够,即木板右端所垫物体较低,使得木板
10、的倾角偏小;图线不是直线,是由于砂和砂桶的总质量不满足远小于小车质量,故AD正确。(4)设小车所受到的拉力为F,则有F=(M+m)a,得?=?M+?m,由?-m图像,得?=b,故F=?。,考点二实验的创新方案以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥教材,体现开放性、探究性、设计性等特点。视角1实验器材的改进用气垫导轨和两个光电门来完成此实验。视角2数据处理方法的改进小车的加速度可以利用传感器,借助于计算机来处理。视角3实验方案的改进以小车和吊桶的整体为研究对象。,2-1某探究学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”,他们在实验室组装了一套如图所示的装置,水平轨道上安
11、装两个光电门,小车上固定有力传感器和挡光板,细线一端与力传感器连接,另一端跨过定滑轮挂上砝码盘。实验时首先保持轨道水平,通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力,再进行后面的操作,并在实验中获得以下测量数据:小车、力传感器和挡光板的总质量M,平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0,挡光板的宽度d,光电门1和2中心的距离s。,(1)该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量?不需要。(填“需要”或“不需要”)(2)实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度d,如图所示,d=5.50mm。?(3)某次实验过程:力传感器的读数为F,小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2(小车
12、通过光电门2后,砝码盘才落地),已知重力加速度为g,则该实验要验证的表达式是。,答案(1)不需要(2)5.50(3)F=M,解析(1)由于实验装置图中已给出了力传感器,所以不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量(m0?M车)。(2)d=5 mm+0.0510 mm=5.50 mm。(3)小车在光电门1处的速度为v1=?,在光电门2处的速度为v2=?,所以根据?-?=2as,可得:a=?由F=Ma可知F=M,2-2如图所示的实验装置可以探究加速度与力、质量的关系,小车上固定一个盒子,盒子内盛有沙子。沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m,小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为
13、M。? (1)验证在质量不变的情况下,加速度与合外力成正比时,从盒子中取出一些沙子,装入沙桶中,称量并记录沙桶的总重力mg,将该力视为合外力F,对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出。多次改变合外力F的大小,每次都会得到一个相应的加速度。本次实验中,桶内的沙子取自小,车中,故系统的总质量不变。以合外力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a-F图像,图像是一条过原点的直线。a-F图像斜率的物理意义是 。你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理?答:合理。(填“合理”或“不合理”)本次实验中,是否应该满足M?m这样的条件?答:否(填“是”或“否”);理由是因为实验的研究对象是整个系统,系统受到的合外力就等于mg 。(2)验证在合外力不变的情况下,加速度与质量成反比;保持桶内沙子质量m不变,在盒子内添加或去掉一些沙子,验证加速度与质量的关系。本次实验中,
