實(shí)驗(yàn)四：驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

1、實(shí)驗(yàn)四：驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)會(huì)用控制變量法來研究物理規(guī)律；探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，進(jìn)而驗(yàn)證牛頓第二定律2實(shí)驗(yàn)原理：利用沙及沙桶通過細(xì)線牽引小車做加速運(yùn)動(dòng)，采用控制變量法研究物體的加速度與合外力、物體的質(zhì)量關(guān)系如圖 S41 所示，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使小車所受的阻力忽略，使小車 M 和小桶 m 都做加速運(yùn)動(dòng)mgMmMg m 對(duì)小桶：mgTma 對(duì)小車：TMa 聯(lián)立知amMmT= =MmgMmmg1M由可知：當(dāng) Mm 時(shí)，可近似認(rèn)為小車所受的拉力 Tmg，即小車所受的合外力 F 合mg.圖 S41本實(shí)驗(yàn)第一部分保持小車的質(zhì)量不變，改變 m 的大小，測(cè)出相應(yīng)的加速度 a，驗(yàn)證 a 與 F

2、的關(guān)系；第二部分保持 m 不變，改變 M 的大小，測(cè)出小車運(yùn)動(dòng)的加速度 a，驗(yàn)證 a 與 M 的關(guān)系3實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶及復(fù)寫紙、小車、一端附有滑輪的長(zhǎng)木板、小桶、細(xì)繩、沙、低壓交流電源、天平、刻度尺、砝碼4實(shí)驗(yàn)步驟及器材調(diào)整(1)用天平分別測(cè)出小車和小桶的質(zhì)量 M 和 m，把數(shù)值記錄下來(2)按圖 S42 所示把實(shí)驗(yàn)器材安裝好圖 S42(3)平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板的不帶滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復(fù)移動(dòng)其位置，直至不掛小桶的小車剛好在斜面上保持勻速運(yùn)動(dòng)為止.(4)將小桶通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小車，使小車運(yùn)動(dòng)，用紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況，取下紙帶，并在紙帶上標(biāo)上號(hào)碼(5)保持小

3、車的質(zhì)量不變，改變小桶中的沙量，重復(fù)步驟(4)，每次記錄必須在相應(yīng)的紙帶上做上標(biāo)記，列表格將記錄的數(shù)據(jù)填寫在表內(nèi)(6)建立坐標(biāo)系，用縱坐標(biāo)表示加速度，橫坐標(biāo)表示力，在坐標(biāo)系上描點(diǎn)，畫出相應(yīng)的圖線以驗(yàn)證 a 與 F 的關(guān)系.(7)保持沙及小桶的質(zhì)量不變，改變小車的質(zhì)量(在小車上增減砝碼)，重復(fù)上述步驟(5)、(6)，驗(yàn)證 a 與 M 的關(guān)系5注意事項(xiàng)(1)在本實(shí)驗(yàn)中，必須平衡摩擦力，方法是將長(zhǎng)木板的一端墊起，而墊起的位置要恰當(dāng)在位置確定以后，不能再更換傾角；平衡摩擦力時(shí)不要掛小桶，應(yīng)連著紙帶，且接通電源(2)改變 m 和 M 的大小時(shí)，每次小車開始釋放時(shí)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，而且先通電再放小車.

4、(3)作圖象時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)在所作的直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對(duì)稱分布在所作直線的兩側(cè)，個(gè)別誤差較大的點(diǎn)應(yīng)舍去6數(shù)據(jù)處理及誤差分析Mm，只有這樣，才能使?fàn)恳≤嚨臓恳频扔谏臣靶⊥暗闹亓?2)在平衡摩擦力時(shí)，墊起的物體的位置要適當(dāng)，長(zhǎng)木板形成的傾角既不能太大也不能太小，同時(shí)每次改變 M 時(shí)，不再重復(fù)平衡摩擦力樣才能使圖象更直觀.【跟蹤訓(xùn)練】1(雙選，東莞五校2011 屆高三聯(lián)考)某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)探究小車加速度 a 與小車所受拉力 F 及質(zhì)量 m 關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，圖S43 為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖他想用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，為了減小這種做法帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，你認(rèn)為下列說法正確的兩項(xiàng)是()圖

5、 S43A要平衡摩擦力B實(shí)驗(yàn)時(shí)不需要平衡摩擦力C鉤碼的重力要遠(yuǎn)小于小車的總重力D實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)應(yīng)先釋放小車再接通電源答案：AC2如圖 S44 甲所示，物體放在不光滑水平面上，先施加一水平向右的恒力 F，則物體所受的合外力為 F 嗎？ 若物體(具有一定的初速度)放在傾角為的斜面上，恰能勻速下滑，則物體所受的合外力為多少？若此時(shí)再加一個(gè)沿斜面向下的拉力F，如圖 S44 乙所示，此時(shí)物體受到的合力為 F 嗎？圖 S44答案：在圖甲中，物體由于還要受到摩擦力作用，合力不是 F；而在圖乙中因?yàn)槲矬w已經(jīng)可以勻速下滑，由牛頓第一定律可知，物體所受合力為零，因此，再加一個(gè)力 F 就是物體受到的合力大小3用如圖 S

6、45 甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證牛頓第二定律，為消除摩擦力的影響，實(shí)驗(yàn)前必須平衡摩擦力圖 S45(1)某同學(xué)平衡摩擦力時(shí)是這樣操作的：將小車靜止地放在水平長(zhǎng)木板上，把木板不帶滑輪的一端慢慢墊高，如圖 S45乙，直到小車由靜止開始沿木板向下滑動(dòng)為止請(qǐng)問這位同學(xué)的操作是否正確？如果不正確，應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行？答：_.(2)如果這位同學(xué)先如(1)中的操作，然后不斷改變對(duì)小車的拉力 F，他得到 M(小車質(zhì)量)保持不變情況下的 aF 圖線是下圖中的_(將選項(xiàng)代號(hào)的字母填在橫線上)(3)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率 f50 Hz.圖 S46 是某同學(xué)在正確操作下獲得的一條紙帶，A、B、C、D、E 每?jī)牲c(diǎn)之間還有 4

7、個(gè)點(diǎn)沒有標(biāo)出寫出用 s1、s2、s3、s4 以及 f 來表示小車加速度的計(jì)算式：a_.根據(jù)紙帶所提供的數(shù)據(jù)，算得小車的加速度大小為_m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖 S46解析：(1)平衡摩擦力的要點(diǎn)是把有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的那一端適當(dāng)抬高，給小車一個(gè)初速度，小車能勻速下滑，則小車所受摩擦力和小車的重力沿斜面向下的分力平衡，則可認(rèn)為小車所受繩子的拉力等于小車所受的合外力，達(dá)到平衡摩擦力的作用(2)該同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際上是平衡摩擦力過度，故沒有拉力F 之前已經(jīng)有加速度，故 C 正確(3)采用“逐差法”得計(jì)算加速度的表達(dá)式a(s3s4)(s1s2) f 2代入數(shù)據(jù)解得 a0.60 m/s2.1.0104答

8、案：(1)該同學(xué)的操作不正確，正確的操作應(yīng)該為給小車一個(gè)初速度，小車能夠勻速下滑(2)C(3)(s3s4)(s1s2) f21.01040.60題型 1 驗(yàn)證牛頓第二定律【例 1】(廣東五校 2011 屆高三聯(lián)考)某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)探究加速度 a 與物體所受合力 F 及質(zhì)量 m 關(guān)系的實(shí)驗(yàn),圖 S47 為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖(交流電的頻率為 50 Hz，打點(diǎn)時(shí)間間隔為 0.02 s)圖 S47(1)圖 S48 為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為_m/s2.(保留兩位有效數(shù)字)圖 S48(2)保持沙和沙桶質(zhì)量不變，改變小車質(zhì)量 m，分別得到小車加速度 a 與質(zhì)量 m 及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，如何

9、利用這些數(shù)據(jù)才能比較直觀地確定小車加速度 a 與質(zhì)量 m 之間的關(guān)系呢？_.(3)保持小車質(zhì)量不變，改變沙和沙桶質(zhì)量，甲、乙兩位同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別作出了加速度 a 隨合力 F 的變化圖線如圖S49 所示圖 S49 甲中的圖線上部出現(xiàn)了彎曲偏離了原來的直線，其主要原因是_圖 S49 乙中的圖線不通過原點(diǎn)，其主要原是_圖 S49數(shù)之間的關(guān)系圖象(3)圖 S49 甲中圖線后半段偏離直線是沒有滿足沙和沙桶的質(zhì)量要遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量這個(gè)條件造成的;圖 S49 乙圖線存在明顯的橫截距,說明實(shí)驗(yàn)前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分(3)沙和沙桶的質(zhì)量沒有遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量實(shí)驗(yàn)前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)備考策

10、略：驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)一般都會(huì)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考查的重點(diǎn)是利用紙帶求解速度、加速度及誤差分析與如何平衡摩擦力等【觸類旁通】1(2011 年廣州一模)用圖 S410 所示的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證牛頓第二定律沙桶勻速直線(1)為消除摩擦力的影響，實(shí)驗(yàn)前平衡摩擦力的具體操作為：取下_，把木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高并反復(fù)調(diào)節(jié)，直到輕推小車后，小車能沿木板做_運(yùn)動(dòng)圖 S4104.01.23.61.12.00.61.40.41.00.3小為_N(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)0.30(0.280.32 均可)圖 16答案：描點(diǎn)、連線如圖 16 所示圖 S411題型 2 涉及傳感器、光電門實(shí)驗(yàn)的新題

11、型【例 2】(泰州 2011 屆高三一模)光電計(jì)時(shí)器是一種研究物體運(yùn)動(dòng)情況的常用計(jì)時(shí)儀器，其結(jié)構(gòu)如圖 S412 所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當(dāng)有物體從 a、b 間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示物體的擋光時(shí)間圖 S412現(xiàn)利用如圖 S413 所示裝置測(cè)量滑塊與長(zhǎng) 1 m 左右的木板間動(dòng)摩擦因數(shù)及被壓縮彈簧的彈性勢(shì)能，圖中木板固定在水平面上，木板的左壁固定有一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的壓縮輕彈簧(彈簧長(zhǎng)度與木板相比可忽略)，彈簧右端與滑塊接觸，1 和 2 是固定在木板上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，與之連接的兩個(gè)光電計(jì)時(shí)器沒有畫出現(xiàn)使彈簧解除鎖定，滑塊獲得一定的初速度后，水平向右運(yùn)動(dòng)，光電門 1、2

12、 各自連接的計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為 2.0102 s 和 5.0102 s，已知小滑塊的寬度 d5.50 cm.圖 S413(1)滑塊通過光電門 1 的速度 v1_m/s；滑塊通過光電門 2 的速度 v2_m/s.(2)若用米尺測(cè)量出兩個(gè)光電門之間的距離為 l，已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀贋?g，則滑塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)表達(dá)式為_(各量均用字母表示)(3)若用米尺測(cè)量出滑塊初始位置到光電門 2 的距離為 s，為測(cè)量被壓縮彈簧的彈性勢(shì)能，還需測(cè)量的物理量是_(說明其含義，并指明代表物理量的字母)，被壓縮彈簧的彈性勢(shì)能可表示為_(各量均用字母表示)(3)還需測(cè)量的物理量是滑塊的質(zhì)量 m，根據(jù)功能原理，彈

13、簧壓縮最短時(shí)的彈性勢(shì)能 Ep 全部轉(zhuǎn)化為滑塊的動(dòng)能和克服摩擦力做功，滑塊由初始位置到光電門 2 位置時(shí)有備考策略：光電門、光電計(jì)時(shí)器及傳感器是粵教版教材新引進(jìn)的器材和實(shí)驗(yàn)，在未來高考命題中出現(xiàn)的幾率較大本題敘述過程較復(fù)雜，主要涉及的過程：一是彈簧鎖定解除，滑塊彈出過程；二是滑塊運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過光電門過程涉及的知識(shí)點(diǎn)：平均速度與瞬時(shí)速度的關(guān)系；牛頓第二定律；勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律；功能原理本題是近年高考中經(jīng)常出現(xiàn)的信息題的一種，如何學(xué)會(huì)正確閱讀并找出有效信息和規(guī)律是近年高考命題者常思考的一個(gè)重要問題，專家們想通過這類命題來引導(dǎo)學(xué)生提高閱讀和理解能力，學(xué)會(huì)化繁為簡(jiǎn)，這也是提高創(chuàng)新能力的重要途徑之一【觸類旁通】2

14、某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖 S414 所示的實(shí)驗(yàn)裝置來探究當(dāng)合外力一定時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系圖 S414圖 S415(1)由圖 S414 中刻度尺讀出兩個(gè)光電門中心之間的距離s 24 cm ，由圖 S4 15 中游標(biāo)卡尺測(cè)得遮光條的寬度 d _cm.該實(shí)驗(yàn)小組在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從圖 S414 所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器可以讀出遮光條通過光電門 10.52的時(shí)間t1，遮光條通過光電門 2 的時(shí)間t2，則滑塊經(jīng)過光電門1 時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式 v1_，滑塊經(jīng)過光電門 2時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式 v2_，則滑塊的加速度的表達(dá)式 a_.(以上表達(dá)式均用字母表示)(2)在本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)小組通過改變滑塊質(zhì)量總共做了 6組實(shí)驗(yàn),得到如下表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)