1、实验四：验证牛顿运动定律1实验目的：学会用控制变量法来研究物理规律；探究加速度与力、质量的关系，进而验证牛顿第二定律智浪教育-普惠英才文库2实验原理：利用沙及沙桶通过细线牵引小车做加速运动，采用控制变量法研究物体的加速度与合外力、物体的质量关系如图S41所示，通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，使小车 M 和小桶m都做加速运动图S41智浪教育-普惠英才文库由可知：当 Mm 时，可近似认为小车所受的拉力 Tmg，即小车所受的合外力 F合mg.智浪教育-普惠英才文库本实验第一部分保持小车的质量不变，改变m的大小，测出相应的加速度a，验证a与F的关系；第二部分保持m不变，改变M的大小，测出小车运动
2、的加速度a，验证a与M的关系3实验器材打点计时器、纸带及复写纸、小车、一端附有滑轮的长木板、小桶、细绳、沙、低压交流电源、天平、刻度尺、砝码智浪教育-普惠英才文库4实验步骤及器材调整(1)用天平分别测出小车和小桶的质量 M 和 m，把数值记录下来(2)按图S42所示把实验器材安装好图S42(3)平衡摩擦力：在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动其位置，直至不挂小桶的小车刚好在斜面上保持匀速运动为止.智浪教育-普惠英才文库(4)将小桶通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使小车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上标上号码(5)保持小车的质量不变，改变小桶中的沙量，重
3、复步骤(4)，每次记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将记录的数据填写在表内(6)建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，在坐标系上描点，画出相应的图线以验证 a 与 F 的关系.(7)保持沙及小桶的质量不变，改变小车的质量(在小车上增减砝码)，重复上述步骤(5)、(6)，验证 a 与 M 的关系智浪教育-普惠英才文库5注意事项(1)在本实验中，必须平衡摩擦力，方法是将长木板的一端垫起，而垫起的位置要恰当在位置确定以后，不能再更换倾角；平衡摩擦力时不要挂小桶，应连着纸带，且接通电源(2)改变 m 和 M 的大小时，每次小车开始释放时应尽量靠近打点计时器，而且先通电再放小车.(3)作图象
4、时，要使尽可能多的点在所作的直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线的两侧，个别误差较大的点应舍去智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库1(双选，东莞五校2011届高三联考)某同学设计了一个探究小车加速度 a 与小车所受拉力 F 及质量m关系的实验，图S43 为实验装置简图他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为下列哪两项说法是正确的是()图S43A要平衡摩擦力B实验时不需要平衡摩擦力C钩码的重力要远小于小车的总重力D实验进行时应先释放小车再接通电源答案：AC智浪教育-普惠英才文库2如图 S44 甲所示，物体放在不光滑水平面上，先施加一水平向右
5、的恒力 F，则物体所受的合外力为 F 吗？若物体(具有一定的初速度)放在倾角为的斜面上，恰能匀速下滑，则物体所受的合外力为多少？若此时再加一个沿斜面向下的拉力F，如图 S44 乙所示，此时物体受到的合力为 F 吗？图S44智浪教育-普惠英才文库答案：在图甲中，物体由于还要受到摩擦力作用，合力不是 F；而在图乙中因为物体已经可以匀速下滑，由牛顿第一定律可知，物体所受合力为零，因此，再加一个力 F 就是物体受到的合力大小智浪教育-普惠英才文库3用如图S45甲所示的实验装置来验证牛顿第二定律，为消除摩擦力的影响，实验前必须平衡摩擦力图S45智浪教育-普惠英才文库(1)某同学平衡摩擦力时是这样操作的：
6、将小车静止地放在水平长木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图 S45乙，直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止请问这位同学的操作是否正确？如果不正确，应当如何进行？答：_.智浪教育-普惠英才文库(2)如果这位同学先如(1)中的操作，然后不断改变对小车的拉力 F，他得到 M(小车质量)保持不变情况下的 aF 图线是下图中的_(将选项代号的字母填在横线上)智浪教育-普惠英才文库(3)打点计时器使用的交流电频率 f50 Hz.图 S46 是某同学在正确操作下获得的一条纸带，A、B、C、D、E 每两点之间还有 4 个点没有标出写出用 s1、s2、s3、s4 以及 f 来表示小车加速度的计算式：a_.
7、根据纸带所提供的数据，算得小车的加速度大小为_m/s2(结果保留两位有效数字)图S46智浪教育-普惠英才文库解析：(1)平衡摩擦力的要点是把有打点计时器的那一端适当抬高，给小车一个初速度，小车能匀速下滑，则小车所受摩擦力和小车的重力沿斜面向下的分力平衡，则可认为小车所受绳子的拉力等于小车所受的合外力，达到平衡摩擦力的作用(2)该同学做实验时实际上是平衡摩擦力过度，故没有拉力F 之前已经有加速度，故 C 正确(3)采用“逐差法”得计算加速度的表达式代入数据解得 a0.60 m/s2.1.0104(s3s4)(s1s2)f 2a=智浪教育-普惠英才文库1.0104答案：(1)该同学的操作不正确，正
8、确的操作应该为给小车一个初速度，小车能够匀速下滑(2)C(s3s4)(s1s2)f 2(3)0.60智浪教育-普惠英才文库题型1 验证牛顿第二定律【例1】(广东五校2011届高三联考)某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图S47为实验装置简图(交流电的频率为 50 Hz，打点时间间隔为 0.02 s)图S47智浪教育-普惠英才文库(1)图S48为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为_m/s2.(保留两位有效数字)图S48(2)保持沙和沙桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的数据，如何利用这些数据才能比较直观地确定小车加速度a
9、与质量m之间的关系呢？_.智浪教育-普惠英才文库(3)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，甲、乙两位同学根据实验数据分别作出了加速度 a 随合力 F 的变化图线如图S49 所示图 S49 甲中的图线上部出现了弯曲偏离了原来的直线，其主要原因是_图 S49 乙中的图线不通过原点，其主要原是_图S49智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库(3)沙和沙桶的质量没有远小于车的质量实验前未平衡备考策略：验证牛顿第二定律的实验一般都会利用打点计时器和小车来进行实验，考查的重点是利用纸带求解速度、加速度及误差分析与如何平衡摩擦力等摩擦力(或平衡摩擦力不充分)智浪教育-普惠英才文库1(2011 年广州一
10、模)用图S410所示的实验装置来验证牛顿第二定律(1)为消除摩擦力的影响，实验前平衡摩擦力的具体操作为：取下_，把木板不带滑轮的一端适当垫高并反复调节，直到轻推小车后，小车能沿木板做_运动图S410智浪教育-普惠英才文库4.01.23.61.12.00.61.40.41.00.3图S411智浪教育-普惠英才文库答案：(1)沙桶 匀速直线(2)描点、连线如图20所示 0.30(0.280.32 均可)图20智浪教育-普惠英才文库题型2 涉及传感器、光电门的实验新题型【例2】(泰州2011届高三一模)光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图S412所示，a、b分别是光电门的激光发
11、射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间图S412智浪教育-普惠英才文库现利用如图S413所示装置测量滑块与长1 m 左右的木板间动摩擦因数及被压缩弹簧的弹性势能，图中木板固定在水平面上，木板的左壁固定有一个处于锁定状态的压缩轻弹簧(弹簧长度与木板相比可忽略)，弹簧右端与滑块接触，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出现使弹簧解除锁定，滑块获得一定的初速度后，水平向右运动，光电门 1、2 各自连接的计时器显示的挡光时间分别为2.0102 s 和 5.0102 s，已知小滑块的宽度d5.50 cm.图S413智浪教育-普惠英才
12、文库(1)滑块通过光电门 1 的速度v1 _m/s；滑块通过光电门 2 的速度v2_m/s.(2)若用米尺测量出两个光电门之间的距离为 l，已知当地的重力加速为 g，则滑块与木板间动摩擦因数表达式为_(各量均用字母表示)(3)若用米尺测量出滑块初始位置到光电门 2 的距离为 s，为测量被压缩弹簧的弹性势能，还需测量的物理量是_(说明其含义，并指明代表物理量的字母)，被压缩弹簧的弹性势能可表示为_(各量均用字母表示)智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库备考策略：光电门、光电计时器及传感器是粤教版教材新引进的器材和实验，在未来高考命题中出现的几率
13、较大本题叙述过程较复杂，主要涉及的过程：一是弹簧锁定解除，滑块弹出过程；二是滑块运动并经过光电门过程涉及的知识点：平均速度与瞬时速度的关系；牛顿第二定律；匀变速运动规律；功能原理本题是近年高考中经常出现的信息题的一种，如何学会正确阅读并找出有效信息和规律是近年高考命题者常思考的一个重要问题，专家们想通过这类命题来引导学生提高阅读和理解能力，学会化繁为简，这也是提高创新能力的重要途径之一智浪教育-普惠英才文库2某实验小组利用如图S414所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系图S414智浪教育-普惠英才文库(1)由图S414中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离s24
14、 cm，由图S4 15中游标卡尺测得遮光条的宽度 d _cm.该实验小组在做实验时，将滑块从图S414所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间t1，遮光条通过光电门2的时间t2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1_，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2_，则滑块的加速度的表达式a_.(以上表达式均用字母表示)图S415智浪教育-普惠英才文库m/g2502.023001.653504001.255001.008000.63(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量总共做了 6组实验，得到如下表所示的实验数据其中当滑块的质量是350g时，t11.20103 s
15、，t21.18103 s，请根据(1)中得到的表达式计算出此时的加速度，并将结果填在下表中相应位置.a/(ms-2)智浪教育-普惠英才文库(3)通过计算分析上表数据后，你得出的结论是_，如果想通过图象法进一步确认自己的结论，简要说出你的做法：_.智浪教育-普惠英才文库1(2011年浙江卷)在“探究加速度与力、质量的关系”实验时，已提供了小车，一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线为了完成实验，还须从图S416中选取实验器材，其名称是_；并分别写出所选器材的作用：_.图S416智浪教育-普惠英才文库答案：学生电源、电磁打点计时器、钩码、砝码或电火花计时器、钩码、砝码学生电
16、源为电磁打点计时器提供交流电源；电磁打点计时器(电火花计时器)记录小车运动的位置和时间；钩码用以改变小车的质量；砝码用以改变小车受到拉力的大小，还可以用于测量小车的质量(如果选电磁打点计时器，则需要学生电源，如果选电火花计时器，则不需要学生电源)智浪教育-普惠英才文库2(2011 年上海卷)如图 S417，为测量做匀加速直线运动小车的加速度，将宽度均为 b 的挡光片 A、B 固定在小车上，测得两者间距为 d.(1)当小车匀加速经过光电门时，测得两挡光片先后经过的时间t1 和t2，则小车加速度 a_.图S417智浪教育-普惠英才文库)(2)(多选题)为减小实验误差，可采取的方法是(A增大两挡光片
17、宽度bB减小两挡光片宽度bC增大两挡光片间距dD减小两挡光片间距d智浪教育-普惠英才文库3(2011 年重庆卷)某同学设计了如图S418所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数.滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为 M，滑块上砝码总质量为m，托盘和盘中砝码的总质量为 m.实验中，滑块在水平轨道上从 A 到 B做初速度为零的匀加速直线运动，重力加速度 g 取 10 m/s2.图S418智浪教育-普惠英才文库mg(1)为测量滑块的加速度a，须测出它在 A、B 间运动的_与_，计算 a 的运动学公式是_(2)根据牛顿运动定律得到 a 与 m 的关系为：a(1)gM(mm)他想通过多次改变 m，测出相应的 a 值，并利用上式来计算.若要求a是m的一次函数，必须使上式中的_保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于_智浪教育-普惠英才文库(3)实验得到a与m的关系如图S419所示，由此可知_(结果保留两位有效数字)图S419智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库智浪教育-普惠英才文库
