物理第三章 牛頓運(yùn)動定律 第5講 實驗 驗證牛頓第二定律

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1、第5講實驗：驗證牛頓第二定律知識梳理知識梳理1.某研究性學(xué)習(xí)小組用如圖所示的裝置探究牛頓第二定律。該小組在實驗中確定的研究對象是小車,而且認(rèn)為細(xì)線對小車的拉力等于砂桶和砂的總重力,也是小車所受的合外力,則對該實驗,以下說法中不正確的是()A.在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板,反復(fù)移動木板的位置,直到小車在砂桶和砂的拉動下帶動紙帶做勻速直線運(yùn)動,以平衡小車運(yùn)動中受到的摩擦力B.實驗中必須使砂桶和砂的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量C.細(xì)線對小車的真實拉力一定略小于砂桶和砂的總重力D.該實驗是應(yīng)用“控制變量法”來探究牛頓第二定律的A答案答案A把長木板一端墊高是為了平衡摩擦力,應(yīng)該在不掛砂桶的情況下平衡

2、摩擦力,使小車拖動紙帶做勻速運(yùn)動。2.“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示。甲(1)在平衡小車與木板之間摩擦力的過程中,打出了一條紙帶如圖乙所示。計時器打點(diǎn)的時間間隔為0.02s。從比較清晰的點(diǎn)起,每5個點(diǎn)取一個計數(shù)點(diǎn),量出相鄰計數(shù)點(diǎn)之間的距離。該小車的加速度a=0.16m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。(2)平衡摩擦力后,將5個相同的砝碼都放在小車上。掛上砝碼盤,然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,測量小車的加速度。小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數(shù)據(jù)如下表:砝碼盤中砝碼總重力F/N0.1960.3920.5880.7840.980加速度a/(ms-2

3、)0.691.181.662.182.70請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出a-F的關(guān)系圖像。(3)根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的a-F圖線不通過原點(diǎn),請說明主要原因。答案答案(1)0.16(0.15也算對)(2)如圖所示(3)未計入砝碼盤的重力解析解析(1)a=m/s2=0.16m/s2,或a=m/s2=0.15m/s2。(2)見答案。(3)實驗時應(yīng)測出砝碼盤和砝碼的總重力,而表中數(shù)據(jù)漏計了砝碼盤的重力,導(dǎo)致合力F的測量值小于真實值,a-F圖線不過原點(diǎn)。2xT22(3.683.52) 100.12xT22(3.83 3.68) 100.1深化拓展深化拓展考點(diǎn)一考點(diǎn)一實驗的注意事項實驗的注意事項考點(diǎn)二考點(diǎn)二實驗的創(chuàng)

4、新方案實驗的創(chuàng)新方案深化拓展深化拓展考點(diǎn)一實驗的注意事項考點(diǎn)一實驗的注意事項1.為什么只有當(dāng)小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼總質(zhì)量時,才可認(rèn)為小盤和砝碼的重力近似等于小車受到的拉力呢?分析:根據(jù)牛頓第二定律,對小盤和砝碼:mg-F=ma對小車:F=Ma由兩式得:F=mg所以只有當(dāng)Mm時,Fmg。MmgMm11mM2.本實驗為什么畫a-圖像而不畫a-M圖像。分析:實驗中作出的是a-圖像。因為a-M圖像是一條曲線,而根據(jù)曲線不好確定兩個量的關(guān)系,這種情況下物理實驗數(shù)據(jù)的處理多采用“化曲為直”的思想,作a-圖像。1M1M1M1-1某同學(xué)設(shè)計了一個探究小車的加速度a與小車所受拉力F及質(zhì)量m關(guān)系的實驗,圖(a

5、)為實驗裝置簡圖。(所用交流電的頻率為50Hz)圖(a)圖(b)(1)為了研究加速度和質(zhì)量的關(guān)系,在實驗中必須采用控制變量法,應(yīng)保持拉力拉力F不變,用砂桶及砂所受的重力作為小車所受拉力小車所受拉力,圖(b)為某次實驗得到的紙帶,實驗數(shù)據(jù)如圖,圖中相鄰計數(shù)點(diǎn)之間還有4個點(diǎn)未畫出,根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為0.64m/s2。(保留三位有效數(shù)字)(2)在本次實驗中,實驗小組通過改變小車質(zhì)量共做了8組實驗,得到下表所示的實驗數(shù)據(jù),通過分析表中數(shù)據(jù),你得出的結(jié)論是:。在小車所受外力不變的條件下,加速度與質(zhì)量成反比例關(guān)系a-1m次數(shù)12345678小車加速度a/(ms-2)0.6330.5720.4

6、970.4180.3320.2500.1670.101小車質(zhì)量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67現(xiàn)需通過圖像進(jìn)一步驗證你的結(jié)論,可利用表格數(shù)據(jù)作圖,應(yīng)在坐標(biāo)紙中畫出圖線。(3)在某次實驗中為研究加速度和力的關(guān)系,根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a-F關(guān)系圖線,如圖所示,此圖線的AB段明顯偏離直線,造成此誤差的主要原因是()A.小車與木板之間存在摩擦B.木板保持了水平狀態(tài)C.所掛砂桶的總質(zhì)量太大D.所用小車的質(zhì)量太大C答案答案(1)拉力F小車所受拉力0.64(2)在小車所受外力不變的條件下,加速度與質(zhì)量成反比例關(guān)系a-(3)C1m解析解析(1)采用控制變量法研究加速

7、度與質(zhì)量的關(guān)系,需將外力F保持不變。平衡摩擦力后,可將砂桶及砂的重力作為小車所受拉力;紙帶上有六組數(shù)據(jù),充分利用數(shù)據(jù),采用“逐差法”計算,a=0.64m/s2。(2)通過1、5、7組數(shù)據(jù),可看到質(zhì)量加倍,加速度在誤差范圍內(nèi)減半,故加速度與質(zhì)量成反比例關(guān)系;a-m圖線為曲線,并不能說明是成反比例關(guān)系,故應(yīng)作a-圖線。(3)由于OA段a-F關(guān)系圖線為一傾斜的線段,所以在質(zhì)量不變的條件下,加速度與外力成正比;AB段明顯偏離直線是由于所掛砂桶的總質(zhì)量太大,沒有滿足Mm造成的。6543212()()9ssssssT1m1-2(2016北京海淀期中,12)實驗小組的同學(xué)在“驗證牛頓第二定律”實驗中,使用了

8、如圖所示的實驗裝置。(1)在下列測量工具中,本次實驗需要用的測量儀器有BD。(選填測量儀器前的字母)A.游標(biāo)卡尺B.刻度尺C.秒表D.天平(2)實驗中,為了可以將細(xì)線對小車的拉力看成是小車所受的合外力,某同學(xué)先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細(xì)線與長木板平行。接下來還需要進(jìn)行的一項必須且正確的操作是B。(選填選項前的字母)A.將長木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計時器的紙帶,給打點(diǎn)計時器通電,調(diào)節(jié)砂和砂桶的總質(zhì)量的大小,使小車在砂和砂桶的牽引下運(yùn)動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動B.將長木板的右端墊起適當(dāng)?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計時器的紙帶,撤去砂和砂桶,給打點(diǎn)計時器通電,輕推一下小

9、車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動C.將長木板的右端墊起適當(dāng)?shù)母叨?撤去紙帶以及砂和砂桶,輕推一下小車,觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動(3)某同學(xué)在做保持小車質(zhì)量不變,驗證小車的加速度與其合外力成正比的實驗時,根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作出如圖所示的a-F圖線,所得的圖線既不過原點(diǎn),又不是直線,原因可能是AD。(選填選項前的字母)A.木板右端所墊物體較低,使得木板的傾角偏小B.木板右端所墊物體較高,使得木板的傾角偏大C.小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量D.砂和砂桶的質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量(4)在某次利用上述已調(diào)整好的裝置進(jìn)行實驗中,保持砂和砂桶的總質(zhì)量不變,小車自身的質(zhì)量為M且保持不變,改變小車中砝碼的質(zhì)量

10、m,并測出小車中放不同質(zhì)量砝碼時所對應(yīng)的加速度a,以m為橫坐標(biāo),為縱坐標(biāo),在坐標(biāo)紙上作出如圖所示的-m關(guān)系圖線,實驗結(jié)果驗證了牛頓第二定律。如果圖中縱軸上的截距為b,則小車受到的拉力大小為。1a1aMb答案答案(1)BD(2)B(3)AD(4)Mb解析解析(1)驗證牛頓第二定律實驗中,需要用刻度尺測紙帶上點(diǎn)之間的距離,需要用天平測物體的質(zhì)量,故選B、D。(2)在實驗中,必須有平衡摩擦力這個環(huán)節(jié),其中B選項就是為了這個目的。(3)a-F圖線出現(xiàn)橫軸截距,說明平衡摩擦力不夠,即木板右端所墊物體較低,使得木板的傾角偏小;圖線不是直線,是由于砂和砂桶的總質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量,故AD正確。(4)設(shè)小

11、車所受到的拉力為F,則有F=(M+m)a,得=M+m,由-m圖像,得=b,故F=。1a1F1F1aMFMb考點(diǎn)二實驗的創(chuàng)新方案考點(diǎn)二實驗的創(chuàng)新方案以本實驗為背景,通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目,不脫離教材而又不拘泥教材,體現(xiàn)開放性、探究性、設(shè)計性等特點(diǎn)。視角1實驗器材的改進(jìn)用氣墊導(dǎo)軌和兩個光電門來完成此實驗。視角2數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)小車的加速度可以利用傳感器,借助于計算機(jī)來處理。視角3實驗方案的改進(jìn)以小車和吊桶的整體為研究對象。2-1某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)要驗證“牛頓第二定律”,他們在實驗室組裝了一套如圖所示的裝置,水平軌道上安裝兩個光電門,小車上固定有力傳感器和擋光板,細(xì)線一端與力傳感器連

12、接,另一端跨過定滑輪掛上砝碼盤。實驗時首先保持軌道水平,通過調(diào)整砝碼盤里砝碼的質(zhì)量讓小車做勻速運(yùn)動以實現(xiàn)平衡摩擦力,再進(jìn)行后面的操作,并在實驗中獲得以下測量數(shù)據(jù):小車、力傳感器和擋光板的總質(zhì)量M,平衡摩擦力時砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量m0,擋光板的寬度d,光電門1和2中心的距離s。(1)該實驗是否需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量?不需要不需要。(填“需要”或“不需要”)(2)實驗需用游標(biāo)卡尺測量擋光板的寬度d,如圖所示,d=5.50mm。(3)某次實驗過程:力傳感器的讀數(shù)為F,小車通過光電門1和2的擋光時間分別為t1、t2(小車通過光電門2后,砝碼盤才落地),已知重力加速度為g,則該實驗要

13、驗證的表達(dá)式是。答案答案(1)不需要(2)5.50(3)F=M22212ddtts22212ddtts解析解析(1)由于實驗裝置圖中已給出了力傳感器,所以不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量(m0M車)。(2)d=5mm+0.0510mm=5.50mm。(3)小車在光電門1處的速度為v1=,在光電門2處的速度為v2=,所以根據(jù)-=2as,可得:a=由F=Ma可知F=M1dt2dt22v21v22212vvs22212ddtts2-2如圖所示的實驗裝置可以探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,小車上固定一個盒子,盒子內(nèi)盛有沙子。沙桶的總質(zhì)量(包括桶以及桶內(nèi)沙子質(zhì)量)記為m,小車的總質(zhì)量(包括車、盒

14、子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量)記為M。(1)驗證在質(zhì)量不變的情況下,加速度與合外力成正比時,從盒子中取出一些沙子,裝入沙桶中,稱量并記錄沙桶的總重力mg,將該力視為合外力F,對應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中計算得出。多次改變合外力F的大小,每次都會得到一個相應(yīng)的加速度。本次實驗中,桶內(nèi)的沙子取自小車中,故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變。以合外力F為橫軸,以加速度a為縱軸,畫出a-F圖像,圖像是一條過原點(diǎn)的直線。a-F圖像斜率的物理意義是。你認(rèn)為把沙桶的總重力mg當(dāng)作合外力F是否合理?答:合理合理。(填“合理”或“不合理”)本次實驗中,是否應(yīng)該滿足Mm這樣的條件?答:否否(填“是”或“否”);理由是因為實驗的研究對象是整個

15、系統(tǒng)因為實驗的研究對象是整個系統(tǒng),系統(tǒng)受到的合外力就等于系統(tǒng)受到的合外力就等于mg 。(2)驗證在合外力不變的情況下,加速度與質(zhì)量成反比;保持桶內(nèi)沙子質(zhì)量m不變,在盒子內(nèi)添加或去掉一些沙子,驗證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。本次實驗中,桶內(nèi)的沙子總質(zhì)量不變,故系統(tǒng)所受的合外力不變。1Mm用圖像法處理數(shù)據(jù)時,以加速度a為縱軸,應(yīng)該以 M+m 的倒數(shù)為橫軸。答案答案(1)合理否因為實驗的研究對象是整個系統(tǒng),系統(tǒng)受到的合外力就等于mg(2)M+m1Mm解析解析(1)將車內(nèi)的沙子轉(zhuǎn)移到桶中,保證了M+m不變,即系統(tǒng)的總質(zhì)量不變,研究對象是整個系統(tǒng),a=,可見a-F圖像斜率的物理意義是,系統(tǒng)的合外力就等于所懸掛沙桶的重力mg,不必滿足Mm這樣的條件。(2)保持桶內(nèi)沙子質(zhì)量不變,向小車上的盒子內(nèi)添加或去掉部分沙子,是改變系統(tǒng)的總質(zhì)量M+m,而系統(tǒng)所受的合外力仍等于所懸掛沙桶的重力mg,保證了合外力不變,由牛頓第二定律可知應(yīng)該以M+m的倒數(shù)為橫軸。FMm合mgMm1Mm