物理實驗4 驗證牛頓運動定律

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1、實驗實驗4 4驗證牛頓運動定律驗證牛頓運動定律-2-一、實驗目的1.學會用控制變量法研究物理規(guī)律。2.探究加速度與力、質量的關系。3.掌握利用圖象處理數據的方法。二、實驗原理1.保持質量不變,探究加速度跟合外力的關系。2.保持合外力不變,探究加速度與質量的關系。3.作出a-F圖象和a- 圖象,確定其關系。三、實驗器材打點計時器、紙帶、復寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平、刻度尺、砝碼。-3-四、實驗步驟1.稱量質量用天平測量小盤的質量m1和小車的質量m2。2.安裝器材按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好,只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(即不給小車牽引力

2、)。3.平衡摩擦力在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊,反復移動薄木塊的位置,直至小車能拉著紙帶勻速下滑。-4-4.測量加速度(1)保持小車的質量不變,把小車靠近打點計時器,掛上小盤和砝碼,先接通電源,再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑,打出一條紙帶。計算小盤和砝碼的重力,即為小車所受的合力,由紙帶計算出小車的加速度,并把力和對應的加速度填入表(一)中。改變小盤內砝碼的個數,并多做幾次。(2)保持小盤內的砝碼個數不變,在小車上放上砝碼改變小車的質量,讓小車在木板上滑動打出紙帶。計算砝碼和小車的總質量m0,并由紙帶計算出小車對應的加速度,并將所對應的質量和加速度填入表(二)中。改變小車上砝

3、碼的個數,并多做幾次。-5-6-7-五、數據處理1.計算加速度先在紙帶上標明計數點,測量各計數點間的距離,根據逐差法計算各條紙帶對應的加速度。2.作圖象找關系根據記錄的各組對應的加速度a與小車所受牽引力F,建立直角坐標系,描點畫a-F圖象,如果圖象是一條過原點的傾斜直線,便證明加速度與作用力成正比;根據記錄的各組對應的加速度a與小車和砝碼總質量m0,建立直角坐標系,描點畫a- 圖象,如果圖象是一條過原點的傾斜直線,就證明了加速度與質量成反比。-8-六、誤差分析1.測量誤差(1)質量的測量。(2)打點間隔距離的測量。2.操作誤差(1)拉線或紙帶與木板不平行。(2)傾斜角度不當,平衡摩擦力不到位。

4、3.原理誤差本實驗中用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力),存在系統(tǒng)誤差。-9-七、注意事項1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力時,不要將懸掛小盤的細繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,且要讓小車拖著紙帶勻速運動。2.不重復平衡摩擦力:整個實驗平衡了摩擦力后,不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量,都不需要重新平衡摩擦力。3.實驗條件:每條紙帶都必須在滿足小車的質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出,只有如此,小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力。4.一先一后一按住:改變拉力和小車質量后,每次開始時小車應盡量靠近打點計時器,

5、先接通電源,再放開小車,且在小車到達定滑輪前按住小車。5.作圖:作圖時,兩坐標軸的比例要適當,使盡可能多的點落在所作直線上,不在直線上的點盡可能對稱地分布在所作直線兩側。-10-平衡摩擦力后,改變小車和砝碼的總質量,為什么不需要再次平衡摩擦力?提示：設平衡摩擦力時,長木板與水平桌面的夾角為,小車和砝碼總質量為m,總是有mgsin =mgcos ,無論m多大,等式總是成立,所以不需要再次平衡摩擦力。-11-考點一考點二考點三實驗原理與操作實驗原理與操作例1圖甲為驗證牛頓第二定律的實驗裝置示意圖。沙和沙桶的總質量為m,小車和砝碼的總質量為m0。實驗中用沙和沙桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小。

6、-12-考點一考點二考點三(1)實驗中,為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力,先調節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細線與長木板平行。接下來還需要進行的一項操作是(填正確答案標號)。 A.將長木板水平放置,讓小車連著已經穿過打點計時器的紙帶,給打點計時器通電,調節(jié)m的大小,使小車在沙和沙桶的牽引下運動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動B.將長木板的另一端墊起適當的高度,讓小車連著已經穿過打點計時器的紙帶,撤去沙和沙桶,給打點計時器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動C.將長木板的另一端墊起適當的高度,撤去紙帶以及沙和沙桶,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運動 答案解析解析關閉(1

7、)小車在運動過程中受到重力、支持力、紙帶的阻力、木板對小車的摩擦力和細線拉力的作用,為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合力,因此應把木板的另一端墊起適當的高度,使重力、支持力、紙帶的阻力和摩擦力的合力為零,即小車做勻速運動,因此在進行這一操作時,不應掛沙桶,小車應連接紙帶,選項A、C錯誤,B正確。 答案解析關閉B-13-考點一考點二考點三(2)實驗中要進行質量m和m0的選取,以下最合理的一組是(填正確答案標號)。 A.m0=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gB.m0=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gC.m0

8、=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gD.m0=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g 答案解析解析關閉(2)由于繩子的拉力不易測量,本實驗中用沙和沙桶的總重力來代替繩的拉力,而沙桶做加速運動,設加速度大小為a,則FT=m(g-a),當沙桶的加速度很小時,FT近似等于mg,因此實驗中應控制實驗條件,使沙桶的加速度很小。只有當小車和砝碼的總質量遠大于沙和沙桶的總質量時,小車和沙桶的加速度才很小,繩的拉力才近似等于沙和沙桶的總重力。選項C正確。 答案解析關閉C-14-考點一考點二考點三特別提醒1.實驗操作步驟注意事項(1

9、)平衡小車的滑動摩擦力時,沙桶不能拴在小車上。(2)改變小車質量時,不需要重新平衡摩擦力。(3)實驗過程中,應先接通電源,再放開小車。2.實驗原理的理解(1)平衡小車摩擦力后,細繩的拉力即為小車的合外力。(2)只有滿足沙桶及桶內沙的總質量遠小于小車和小車上砝碼的總質量時,細繩的拉力才近似等于沙桶及桶內沙的總重力。-15-考點一考點二考點三數據處理與誤差分析數據處理與誤差分析例2一小組的同學用如圖甲所示裝置做探究物體質量一定時,加速度與力的關系的實驗。-16-考點一考點二考點三(1)下列說法正確的有。 A.平衡摩擦力時,用細線一端掛空砝碼盤,另一端與小車相連,將木板適當傾斜,使小車在木板上近似做

10、勻速直線運動B.每次改變砝碼及砝碼盤總質量之后,應重新平衡摩擦力C.應讓砝碼及砝碼盤總質量遠大于小車及里面鉤碼的總質量D.砝碼及砝碼盤總質量遠小于小車及里面鉤碼總質量時,可以近似認為小車受到的拉力等于砝碼及砝碼盤的重力 答案解析解析關閉(1)平衡摩擦力時,應將細線從小車上取下,輕輕推動小車,使小車沿木板運動,通過打點計時器打出來的紙帶判斷小車是否勻速運動,A錯誤;每次改變砝碼及砝碼盤總質量之后,不需要重新平衡摩擦力,B錯誤;應讓砝碼及砝碼盤總質量遠小于小車及里面鉤碼的總質量,C錯誤;砝碼及砝碼盤總質量遠小于小車及里面鉤碼的總質量時,可以近似認為小車受到的拉力等于砝碼及砝碼盤的重力,D正確。 答

11、案解析關閉D-17-考點一考點二考點三(2)圖乙a為實驗中按規(guī)范操作打出的一條紙帶的一部分,從比較清晰的點跡起,在紙帶上標出了連續(xù)的5個計數點A、B、C、D、E,相鄰兩計數點之間有4個計時點沒有標出,用刻度尺分別測量出A點到B、C、D、E的距離如圖乙所示。已知打點計時器接在頻率為50 Hz的交流電源上。則此次實驗中小車運動加速度的測量值a= m/s2。(結果保留兩位有效數字) 答案解析解析關閉 答案解析關閉-18-考點一考點二考點三(3)某同學平衡摩擦力后,改變砝碼盤中砝碼的質量,分別測量出小車的加速度a,以砝碼盤及砝碼的重力F為橫坐標,以小車的加速度a為縱坐標,得到如圖乙b所示的a-F圖線。

12、圖線不通過坐標原點的主要原因是。 答案解析解析關閉由題圖可以看出,當F=0時,a0,也就是說當細線上沒有拉力時,小車就有加速度,這是平衡摩擦力時木板傾角偏大,即平衡摩擦力過度引起的。 答案解析關閉平衡摩擦力過度-19-考點一考點二考點三規(guī)律總結1.實驗數據的處理方法圖象法、化曲為直法(1)探究加速度與力的關系以加速度a為縱坐標、F為橫坐標,根據測量的數據描點,然后作出圖象,看圖象是否是通過原點的直線,就能判斷a與F是否成正比。(2)探究加速度與質量的關系以a為縱坐標、m為橫坐標,根據各組數據在坐標系中描點,將會得到如圖甲所示的一條曲線。由圖線只能看出m增大時a減小,但a與m具體是什么關系,不易

13、得出。若以a為縱坐標、 為橫坐標,將會得到如圖乙所示的一條過原點的傾斜直線,據此可判斷a與m成反比。-20-考點一考點二考點三(3)方法總結利用圖象處理數據是物理實驗中常用的重要方法。在實驗中如果發(fā)現一個量x與另一個量y成反比,那么,x就應與 成正比。因為在處理數據時,判斷一條圖線是否為正比例函數圖象比判斷其是否為反比例函數圖象要簡單和直觀得多,所以可以將反比例函數的曲線轉化為正比例函數的直線進行處理。-21-考點一考點二考點三2.誤差分析(1)質量的測量誤差、紙帶上點間距離的測量誤差、拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差。(2)因實驗原理不完善造成誤差:本實驗中用重物的重力代替小車受到的拉力

14、(實際上小車受到的拉力要小于重物的重力),存在系統(tǒng)誤差。重物質量越接近小車的質量,誤差就越大;反之,重物質量越遠小于小車的質量,誤差就越小。(3)平衡摩擦力不準造成誤差:在平衡摩擦力時,除了不掛重物外,其他的都跟正式實驗一樣(比如要掛好紙帶、接通打點計時器),勻速運動的標志是打點計時器打出的紙帶上各點的距離相等。-22-考點一考點二考點三實驗的改進與創(chuàng)新實驗的改進與創(chuàng)新以本實驗為背景,通過改變實驗條件、實驗儀器和實驗數據的處理設置題目,或者通過實驗原理的拓展來設置題目。一、實驗器材的改進-23-考點一考點二考點三二、數據測量的改進三、實驗的拓展延伸以驗證牛頓運動定律為背景測量物塊與木板間的動摩

15、擦因數。-24-考點一考點二考點三例3(2016全國理綜丙)某物理課外小組利用圖(a)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關系。置于實驗臺上的長木板水平放置,其右端固定一輕滑輪,輕繩跨過滑輪,一端與放在木板上的小滑車相連,另一端可懸掛鉤碼。本實驗中可用的鉤碼共有N=5個,每個質量均為0.010 kg。實驗步驟如下:-25-考點一考點二考點三(1)將5個鉤碼全部放入小車中,在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊,使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑。(2)將n(依次取n=1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端,其余N-n個鉤碼仍留在小車內;用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車,同時用傳感器

16、記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s,繪制s-t圖象,經數據處理后可得到相應的加速度a。(3)對應于不同的n的a值見下表。n=2時的s-t圖象如圖(b)所示:由圖(b)求出此時小車的加速度(保留2位有效數字),將結果填入下表。-26-考點一考點二考點三(4)利用表中的數據在圖(c)中補齊數據點,并作出a-n 圖象。從圖象可以看出:當物體質量一定時,物體的加速度與其所受的合外力成正比。-27-考點一考點二考點三(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質量為 kg(保留2位有效數字,重力加速度g取9.8 ms-2)。 (6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1),下列說法正確的是(填入正確選項前的

17、標號)。 A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線,但該直線不過原點C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大解析： (3)小滑車釋放后做初速度為零的勻加速直線運動,滿足x= at2由圖(b)知,當x=0.8 m時,t=2.00 s,代入式解得a=0.40 m/s2-28-考點一考點二考點三(4)描點作圖a-n圖線如圖: -29-考點一考點二考點三(5)對鉤碼與小滑車組成的系統(tǒng)有nmg=(m+5m)a解得m=0.45 kg。(6)若木板保持水平,則對系統(tǒng)由牛頓第二定律得nmg-m+(N-n)mg=(m+Nm)a由此知圖線不過原點,且斜率增大,故B、C選項正確。答案： (3)0.40(0.

18、370.49均對)(4)a-n圖線見解析(5)0.45(0.430.47均對)(6)BC-30-考點一考點二考點三例4圖甲為測量物塊與水平桌面之間動摩擦因數的實驗裝置示意圖。實驗步驟如下:甲用天平測量物塊和遮光片的總質量m0,重物的質量m,用游標卡尺測量遮光片的寬度d,用刻度尺測量兩光電門之間的距離x;調整輕滑輪,使細線水平;讓物塊從光電門A的左側由靜止釋放,用數字毫秒計分別測出遮光片經過光電門A和光電門B所用的時間tA和tB,求出加速度a;多次重復步驟,求a的平均值 ;根據上述實驗數據求出動摩擦因數。-31-考點一考點二考點三回答下列問題:(1)測量d時,某次游標卡尺(主尺的最小分度為1 m

19、m)的示數如圖乙所示。其讀數為 cm。 答案解析解析關閉 答案解析關閉-32-考點一考點二考點三特別提醒本實驗還可以從以下兩個方面創(chuàng)新(1)實驗目的的創(chuàng)新:測木塊與木板間的動摩擦因數;(2)實驗器材的創(chuàng)新:利用位移傳感器測物體移動位移;利用傳感器測物體的速度或加速度。-33-1231.(2016福建寧德質檢)某次探究加速度a跟物體所受合力F和質量m的關系實驗。(1)圖甲所示為實驗裝置圖。圖乙為某次實驗得到的一段紙帶,計數點A、B、C、D、E間的時間間隔為0.1 s。根據紙帶可求出小車的加速度大小為 m/s2(結果保留兩位有效數字)。 -34-123(2)保持小車質量不變,改變沙和沙桶質量,進行

20、多次測量。根據實驗數據作出了加速度a隨拉力F的變化圖線,如圖丙所示。圖中直線沒有通過原點,其主要原因是。 -35-123(3)保持沙和沙桶質量不變,改變小車中砝碼質量,進行多次測量,得到小車加速度a、質量m及其對應的 的數據如表中所示:-36-123a.請在圖丁坐標紙中畫出a- 圖線。丁b.根據作出的a- 圖象可以得到的結論是。 答案 答案關閉-37-1232.某同學利用圖甲所示實驗裝置及數字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼質量m的對應關系圖,如圖乙所示。實驗中小車(含發(fā)射器)的質量為200 g,實驗時選擇了不可伸長的輕質細繩和輕定滑輪,小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機得到?；卮鹣?/p>

21、列問題:-38-123(1)根據該同學的結果,小車的加速度與鉤碼的質量成(選填“線性”或“非線性”)關系。 (2)由圖乙可知,a-m圖線不經過原點,可能的原因是。 (3)若利用本實驗裝置來驗證“在小車質量不變的情況下,小車的加速度與作用力成正比”的結論,并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力,則實驗中應采取的改進措施是。鉤碼的質量應滿足的條件是。 答案解析解析關閉 答案解析關閉-39-1233.某同學用圖甲所示的實驗裝置測量物塊與斜面之間的動摩擦因數。已知打點計時器所用電源的頻率為50 Hz,物塊下滑過程中所得到的紙帶的一部分如圖乙所示,圖中標出了五個連續(xù)點之間的距離。-40-123(1)物塊下滑時的加速度a= m/s2,打C點時物塊的速度v= m/s;(2)已知重力加速度大小為g,為求出動摩擦因數,還必須測量的物理量是(填正確答案標號)。 A.物塊的質量B.斜面的高度C.斜面的傾角 答案解析解析關閉 答案解析關閉