第十四講牛頓第二定律：第一課時(shí)實(shí)驗(yàn)—魯科版(2019)高中新高一暑期物理銜接講義(機(jī)構(gòu)專用)

1、第十四講牛頓第二定律第1課時(shí) 實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律.掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.二、實(shí)驗(yàn)原理.探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關(guān)系，采用的基本方法是控制變量法.(1)如圖1所示，保持小車的總質(zhì)量不變，改變小盤內(nèi)整碼的個(gè)數(shù) (或小桶內(nèi)砂子的 質(zhì)量)，從而改變細(xì)繩對(duì)小車的拉力F,測(cè)出小車的加速度，研究小車的加速度與拉力的 關(guān)系.(2)保持小盤和整碼的總質(zhì)量不變，即細(xì)純對(duì)小車?yán)不變，在小車上增減整碼,改變小車的總質(zhì)量，測(cè)出小車對(duì)應(yīng)的加速度，研究小車的加速度與其質(zhì)量的關(guān)系.2.測(cè)量方法(1)小車與其上整碼的總質(zhì)量M用天平

2、測(cè)量；(2)小車的加速度a利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，由 K=aT2來計(jì)算；(3)小車所受的合外力F用天平測(cè)量小桶和沙子的總質(zhì)量，由 G = mg來計(jì)算.、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小盤、夾子、細(xì)純、低壓交流電源、導(dǎo)線、刻度尺、天平、整碼、實(shí)驗(yàn)步驟.用天平分別測(cè)出小車的質(zhì)量和小桶的質(zhì)量，把數(shù)據(jù)記錄下來.按如圖2所示安裝器材.圖2.平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，反復(fù)移動(dòng)薄 木塊的位置，直至不掛重物的小車在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)可保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài).這時(shí)小車拖著 紙帶運(yùn)動(dòng)受到的摩擦力恰好與小車所受的重力在斜面方向上的分力平衡.在小車上加放整碼，小

3、桶里放入適量的沙子，把整碼和沙子的質(zhì)量記錄下來.把 細(xì)線系在小車上并繞過滑輪懸掛小桶，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下 一系列的點(diǎn)，取下紙帶，在紙上寫上編號(hào).保持小車及車內(nèi)整碼的質(zhì)量不變，改變沙子的質(zhì)量（要用天平稱量），按步驟4再 做幾次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)填入表格 1中.算出每條紙帶對(duì)應(yīng)的加速度的值并填入表格 1中.表格1物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m s 2)小車受力F/N12347.保持沙子和小桶的質(zhì)量不變，在小車上增減整碼，重復(fù)上述步驟4,將實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)填入表格2中.算出每條紙帶對(duì)應(yīng)的加速度的值并填入表格 2中.表格2物體受到的合外力一定，加

4、速度與質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m s 2)小車及車內(nèi)整碼質(zhì)量M/kg小車及車內(nèi)整碼 質(zhì)量的倒數(shù)$/kgT1234二、數(shù)據(jù)處理1.探究加速度與力的關(guān)系：以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)，根據(jù)表格1中的各組數(shù) 據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn).如果這些點(diǎn)在一條過原點(diǎn)的直線上，說明 a與F成正比，如圖3所 示.圖3.探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系：“ a與M成反比”實(shí)際上就是“ a與m成正比.以1 一一一 一a為縱坐標(biāo)，而為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，根據(jù)表格 2中的數(shù)據(jù)描點(diǎn).根據(jù)a-M圖象是不是 過原點(diǎn)的直線，就能判斷a是不是與質(zhì)量M成反比，如圖4所示./T圖43.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)：(1)物體質(zhì)量一定時(shí)，物體的加速度與作

5、用在物體上的合外力成正比.(2)物體受到的合外力一定時(shí)，物體的加速度與物體的質(zhì)量成反比.(3)綜合 (1)(2)結(jié)論則有：物體的加速度與作用在物體上的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比三、誤差分析 系統(tǒng)誤差(1)誤差分析：本實(shí)驗(yàn)中所掛重物的重力為G,小車受到細(xì)線的拉力為由于沙桶是 在加速下降，所以TG.本實(shí)驗(yàn)中用G代替T,故存在系統(tǒng)誤差.(2)減小誤差的方法：所掛重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量 偶然誤差(1)誤差分析：因讀數(shù)不準(zhǔn)和操作不當(dāng)造成的誤差質(zhì)量的測(cè)量誤差測(cè)量紙帶上各點(diǎn)間的距離的誤差細(xì)線或紙帶與木板不平行造成的誤差平衡摩擦力不夠(或過度)造成的誤差，該誤差使作出的圖象在橫軸(或縱軸)上產(chǎn)生截

6、距(2)減小誤差的方法用天平和刻度尺測(cè)量時(shí)按照規(guī)范操作的要求進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù)將紙帶展開減小摩擦平衡摩擦力時(shí)，用打點(diǎn)法驗(yàn)證.四、注意事項(xiàng) 在本實(shí)驗(yàn)中，必須平衡摩擦力平衡摩擦力時(shí)不要掛重物平衡摩擦力后，在后面的實(shí)驗(yàn)中不管是改變砝碼盤和砝碼的質(zhì)量還是改變小車的質(zhì)量， 都不需要重新平衡摩擦力2實(shí)驗(yàn)中，必須滿足小車及小車上砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所掛砝碼盤和盤中砝碼的質(zhì)量只有這樣，砝碼盤和砝碼的總重力才可以視為與小車所受細(xì)線的拉力相等3在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，從盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置由靜止釋放小車，并且先通電后釋放小車，在小車到達(dá)定滑輪位置時(shí)按住小車4利用紙帶計(jì)算加速度時(shí)，應(yīng)該求每條紙帶上加速度的平均值5.作圖象時(shí)，

7、要使盡可能多的點(diǎn)落在所作的直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對(duì) 稱地分布在所作直線的兩側(cè).偏離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)可舍去不予考慮.實(shí)驗(yàn)探究1實(shí)驗(yàn)步驟及原理的考查卜例用如圖5所示的裝置研究在作用力F一定時(shí)，小車的加速度a與小車質(zhì)量M的關(guān)系，某位同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下:打點(diǎn)計(jì)時(shí)典圖5A.用天平稱出小車和重物的質(zhì)量；B.按圖裝好實(shí)驗(yàn)器材；C .把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛重物；D.將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6 V電壓的蓄電池上，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí) 器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量；E.保持重物的質(zhì)量不變，增加小車上的整碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的M值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)；F.分析每條紙帶，測(cè)量并計(jì)

8、算出加速度的值；G.作a-M關(guān)系圖象，并由圖象確定a-M關(guān)系.(1)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是 ,該步驟應(yīng)排在 步實(shí)驗(yàn)之后.(2)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是 ,應(yīng)把改為.(3)在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖?,應(yīng)把改為.【解析】實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為重物的重力與小車所受拉力大小相等，沒有考慮摩擦力，故必須平衡摩擦力.電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在 6V電壓的蓄電池上將無法工作，必須接在 6 V 以下交流電壓的學(xué)生電源上.作a-M關(guān)系圖象，得到的是雙曲線，很難作出正確的判斷，1必須“化曲為直”，改為a-M關(guān)系圖象.【答案】(1)平衡摩擦力 B (2)D 6 V電壓的蓄電池6 V交流電壓的學(xué)生電源1G o-M o-M實(shí)驗(yàn)探究

9、2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理例同 在做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算出各紙帶的加速度后， 將測(cè)得的反映加速度a和力F的關(guān)系的有關(guān)資料記錄在表1中，將測(cè)得的反映加速度a 和質(zhì)量M的關(guān)系的資料列在表2中.表1a/(m s 2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00表2a/(m s 2)2.042.663.233.981/M(kg 1)0.500.670.801.00(1)根據(jù)圖中所列數(shù)據(jù)，分別畫出 a-F、a-1/M圖象；從圖象可以判定：當(dāng)M 一定時(shí)，a與F的關(guān)系為;當(dāng)F 一定時(shí)，a與M的關(guān)系為;(3)由a-F圖象可知M=;(4)由a-1/M圖象可知F =.1 一

10、 一【解析】(1)描點(diǎn)連線，得a-F、a-M-圖象如圖所小.(2)從圖象可以看出，當(dāng) M 一定時(shí)，a與F成正比例關(guān)系；當(dāng)F 一定時(shí)，a與M成 反比例關(guān)系.(3)由a-F圖象可知，M為圖線的斜率的倒數(shù)，則 M = 0.5 kg. ,1 一(4)由a-而圖象可知，F(xiàn)為圖線的斜率，則F=4 N.【答案】(1)見解析(2)正比例關(guān)系反比例關(guān)系(3)0.5 kg (4)4 N實(shí)驗(yàn)探究3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)例且 為了 “探究加速度與力的關(guān)系”，使用如圖6所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn).其中Gi、G2、為兩個(gè)光電門，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連，當(dāng)滑行器通過Gi、G2光電門時(shí)，光束被遮擋的時(shí)間 Ni、也都可以被測(cè)量并記錄，滑行

11、器連同上面固定的一條形 擋光片的總質(zhì)量為M,擋光片寬度為D,兩光電門間的距離為s,牽引整碼的質(zhì)量為m. 回答下列問題：n M回在在一口問一.呻目工行器:口也 ”*77777777777777777777 ,聲 * ;丫，, w, *圖6(1)實(shí)驗(yàn)開始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)軌水平.在不增加其他儀器的情況下，如何判定調(diào)節(jié)是否到位？(2)若取M = 0.4 kg,改變m的值，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以下 m的取值不合適的一個(gè)是?A. mi = 5 gB. m2=15 gC. m3=40 gD. m4=400 g(3)在此實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)得每一個(gè)牽引力對(duì)應(yīng)的加速度，求得加速度的表達(dá)式為 (用 Ni、

12、N2、D、s 表示)【解析】(1)如果氣墊導(dǎo)軌水平，則不掛整碼時(shí)，滑行器應(yīng)能在任意位置靜止不動(dòng)， 或推動(dòng)滑行器后能使滑行器勻速運(yùn)動(dòng).(2)應(yīng)滿足M? m,故m4=400 g不合適，應(yīng)選D. TOC o 1-5 h z _D_ 2_D_ 2r DD 2 2 -口At2Ni(3)由 vi =癡，v2=&，v2 vi = 2as 可行 a=2s .【答案】 見解析【課后作業(yè)】.利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，以下做法中錯(cuò)誤的是() A.平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將重物用細(xì)繩通過定滑輪系在小車上B.每次改變小車質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力C.平衡摩擦力時(shí)，小車后面的紙帶必須連好，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處于工

13、作狀態(tài)D.若紙帶上的點(diǎn)分布均勻，說明已平衡了摩擦力【解析】因?yàn)樾≤囋谶\(yùn)動(dòng)時(shí)要受到阻力，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間也有阻力，將長(zhǎng)木板一端墊高一些，利用小車重力沿斜面向下的分力來平衡摩擦力，此時(shí)不能將重物用細(xì) 純通過定滑輪系在小車上，則 B、C、D正確，A錯(cuò)誤.（多選）如圖7所示是某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的圖象，下列說法中正確的是（）圖7A.形成圖甲的原因是平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾角過大.形成圖乙的原因是平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾角過小C.形成圖內(nèi)的原因是平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾角過大D.形成圖丁的原因是平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾角過小【解析】a-F圖象縱軸有截距說明力F為零時(shí)加速度不為零，此時(shí)傾角過大， A正確.橫軸有截距說

14、明施加力F后加速度有一過程仍為零，說明傾角太小，平衡摩擦力1不足，C錯(cuò).a-上圖象縱軸有截距說明傾角太大，平衡摩擦力過大，B錯(cuò).而橫軸有截距，說明平衡摩擦力不足，傾角太小，故 D正確.【答案】 AD3.在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，采用如圖8所示的裝置.圖8（1）本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方法是 .A.控制變量法B.假設(shè)法C.理想實(shí)驗(yàn)法（多選）下列說法中正確的是.A.在探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，應(yīng)改變拉力的大小B.在探究加速度與力的關(guān)系時(shí)，應(yīng)改變小車的質(zhì)量C.在探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時(shí)，為了直觀地判斷出二者間的關(guān)系，應(yīng)作出a-m圖象D.當(dāng)小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于整碼盤和整碼的總質(zhì)量時(shí)，才能近似地

15、認(rèn)為細(xì)線對(duì)小車的 拉力大小等于整碼盤和整碼的總重力大小【解析】(1)本實(shí)驗(yàn)探究a與F、m的關(guān)系，為了探究問題的方便，應(yīng)選擇控制變 量法.(2)在探究a與m的關(guān)系時(shí)，應(yīng)保持拉力F 一定,改變m,故A錯(cuò)；在探究a與F 的關(guān)系時(shí)，應(yīng)保持質(zhì)量 m一定，改變F,故B錯(cuò)；在探究a與m的關(guān)系時(shí)，a-m圖象為曲線，不便于判斷二者關(guān)系，a-m圖象為直線，便于判斷二者關(guān)系，故 C對(duì)；只有小車 質(zhì)量遠(yuǎn)大于整碼盤和整碼的總質(zhì)量時(shí)，細(xì)線的拉力大小才近似等于整碼盤和整碼的總重 力大小，故D對(duì).【答案】(1)A (2)CD.某同學(xué)用圖10(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓第二定律：(1)通過實(shí)驗(yàn)得到如圖(b)所示的a-F圖象，造

16、成這一結(jié)果的原因是：在平衡摩擦力時(shí) 木板與水平桌面的夾角 (填“偏大”或“偏小”).打點(diǎn)Ma圖10(2)該同學(xué)在平衡摩擦力后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了便于探究、減小誤差，應(yīng)使小車質(zhì)量 M 與整碼和盤的總質(zhì)量 m滿足的條件.(3)該同學(xué)得到如圖11所示的紙帶.已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50 Hz.A、B、C、D、 E、F、G是紙帶上7個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出.由此可算出小車的加 速度a =m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)MeABC TOC o 1-5 h z DEF|iiiiini|nri|iiir|riiT|nii|Tiiriiipni|rnipiir|iiii|iii|iiiT|iiiii

17、ni|0 cm 12345圖11【解析】(1)圖中當(dāng)F = 0時(shí)，aw0,也就是說當(dāng)繩子上沒有拉力時(shí)，小車的加速 度不為0,說明小車受的摩擦力小于重力沿斜面向下的分力，所以原因是平衡摩擦力時(shí) 木板傾角偏大.(2)根據(jù)牛頓第二定律有 mg= (M+m)a,解得a=Mmgm,則繩子的拉力F= Ma=熱皿=上知整碼和盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí)小車所受的拉力近似等于整碼M+ m m1+M和盤的總重力，所以應(yīng)滿足的條件是整碼和盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量.(3)由 As= aT2 得 a= 0.20 m/s2.【答案】(1)偏大(2)M? m (3)0.20.某同學(xué)用圖12(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量物塊與斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù).已知打點(diǎn) 計(jì)時(shí)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(b)所示, 圖中標(biāo)出了五個(gè)連續(xù)點(diǎn)之間的距離.378一 3.55 f J-3.52YT加4 e 4i(b)圖12(1)物塊下滑時(shí)的加速度 a=m/S2,打C點(diǎn)時(shí)物塊的速度v=m/s.已知重力加速度大小為g,為求出動(dòng)摩擦因數(shù)，還必須測(cè)量的物理量是 (填正確答案標(biāo)號(hào)).A.物塊的質(zhì)量B.斜面的高度C.斜