牛頓定律實驗

驗證牛頓第二定律一、實驗目的：學會用控制變量法研究物理規(guī)律。驗證牛頓第二定律。掌握利用圖像處理數(shù)據(jù)的方法。二、實驗原理：探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關系時，應用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量——小車的質(zhì)量m不變，討論加速度a與力F的關系，再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車質(zhì)量m,討論加速度a與m的關系。三、實驗器材：電磁打點計時器、復寫紙片和紙帶、一端帶有定滑輪的長木板、小車、小盤、低壓交流電源、天平、砝碼、刻度尺、導線。四、實驗步驟：⑴用天平測量小盤的質(zhì)量m0和小車的質(zhì)量M0。把一端附有滑輪的長木板放在實驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上遠離滑輪的一端，連接好電路。平衡摩擦力：小車的尾部掛上紙帶，紙帶穿過打點計時器的限位孔，將木板無滑輪的一端稍微墊高一些，使小車在不掛小盤和砝碼的情況下，能沿木板做勻速直線運動。這樣小車所受重力沿木板的分力與小車所受摩擦力平衡。在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下，可以近似認為小盤和砝碼的總重力大小等于小車所受的合外力的大小。芒5L 戈的b；木扳端稍微墊高一些，使小車在不掛小盤和砝碼的情況下，能沿木板做勻速直線運動。這樣小車所受重力沿木板的分力與小車所受摩擦力平衡。在保證小盤和砝碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的條件下，可以近似認為小盤和砝碼的總重力大小等于小車所受的合外力的大小。芒5L 戈的b；木扳把小車停在打點計時器處，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。改變小盤內(nèi)砝碼的個數(shù)，重復步驟(4)，并多做幾次。保持小盤內(nèi)的砝碼個數(shù)不變，在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量，讓小車在木板上滑動打出紙帶。改變小車上砝碼的個數(shù)，重復步驟(6)。五、注意事項：平衡摩擦力時，調(diào)節(jié)長木板形成一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力。在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著紙帶運動。在本實驗中，由于兩個小車輪子的靈活程度可能不相同，所受的摩擦力也可能不相等，平衡摩擦力就有困難。應該盡可能選取光滑的長木板進行實驗，以減小因摩擦而造成的系統(tǒng)誤差。安裝器材時，要調(diào)整滑輪的高度，使拴小車的細繩與斜面平行，且連接小車和砝碼盤應在平衡摩擦力之后。整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變重物質(zhì)量，還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力。每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量的條件下打出。只有如此，重物重力才可視為小車受到的拉力。改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再

放開小車，且應在小車到達滑輪前按住小車。作圖像時，要使盡可能多的點在所作直線上，不在直線上的點應盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。作圖時兩軸標度比例要選擇適當。各量須采用國際單位。這樣作圖線時，坐標點間距不至于過密，誤差會小些。為提高測量精度，可以采取下列措施：應舍掉紙帶上開頭比較密集的點，在后邊便于測量的地方找一個起點?？梢园衙看蛭宕吸c的時間作為時間單位，即從開始點起，每隔四個點標出一個計數(shù)點，而相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T=0.1秒。六、誤差分析：對兩類a與F圖像不過坐標原點的分析例題：為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關系”，現(xiàn)提供如圖甲所示的器材：A為小車，B為電火花計時器，C為裝有砝碼的小桶，D為一端帶有定滑輪的長方形木板，實驗中認為細繩對小車拉力F等于砝碼和小桶的總重量.請思考探究思路并回答下列問題：1)為了消除小車與水平木板之間摩擦力的影響應采取什么做法?(2)在“探究加度與質(zhì)量的關系”時，保持砝碼和小桶質(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數(shù)據(jù)如下表：根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，用計算機繪制出a根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，用計算機繪制出a-m圖象如圖乙所示:次數(shù)1235小乍加速度/'m?$-0.780.380.250.200,16小車質(zhì)量??/kg0.200,400.600.801.00圖丁圖丁通過對圖象(圖乙)的觀察，可猜想在拉車F—定的情況下a與m的關系可能是：axm-1、axm-2、axm-3等等，為了驗證猜想，請在圖丙中作出最能直觀反映a與m之間關系的圖象.(3)在“探究加速度與力的關系”時，保持小車的質(zhì)量不變，改變小桶中砝碼的質(zhì)量，該同學根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與力F圖線如圖丁，該圖線不通過坐標原點，試分析圖線不通過坐標原點的原因是,

鞏固練習：1．關于“驗證牛頓第二定律”實驗中驗證“作用力一定時，加速度與質(zhì)量成反比”的實驗過程，以下做法中正確的是( )平衡摩擦力時，應將裝沙的小桶用細繩通過定滑輪系在小車上每次改變小車的質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力可以利用天平測出沙桶和沙質(zhì)量m和小車質(zhì)量M,直接用公式a=mg求出加速度連接砝碼盤和小車的細繩應跟長木板保持平行平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動小車釋放前應靠近打點計時器，且應先接通電源再釋放小車2、在做實驗時，按實驗要求安裝好器材后，應按一定的步驟進行實驗，下列給出供選擇的操作步驟：保持小桶和砂的質(zhì)量不變，在小車里加砝碼，測出加速度，重復幾次保持小車質(zhì)量不變，改變小桶里沙子的質(zhì)量，測出加速度，重復幾次用天平測出小車和沙子的質(zhì)量在長木板沒有定滑輪的一段墊上厚度合適的墊木，平衡摩擦力根據(jù)測出的數(shù)據(jù)，分別畫出加速度和力的關系圖線及加速度和質(zhì)量的倒數(shù)關系圖線用秒表測出小車運動的時間將裝有沙子的小桶用細線通過定滑輪系到小車上，接通電源，釋放小車，在紙帶上打出一系列的點以上步驟中，不必要的步驟是 ，正確步驟的合理順序是 。3?如果a-1/m圖象是通過原點的一條直線，則說明( )A.物體的加速度與質(zhì)量成正比 B.物體的加速度與質(zhì)量成反比C.物體的質(zhì)量與加速度成正比 D.物體的質(zhì)量與加速度成反比用如圖3－3－9所示的裝置來探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關系.實驗時，小盤和砝碼牽引小車，使小車做初速度為零的勻加速運動.夾子rwi__fc—彳小車I 圖3－3－9此實驗中可以不測量加速度的具體值，原因是 為橫坐標作圖象，通過改變 ，就可以改變小車所受的合力.為橫坐標作圖象，在探究加速度與質(zhì)量關系時，分別以 為縱坐標、 這樣就能直觀地看出二者關系.如圖所示是某同學做探究加速度與力、質(zhì)量的關系實驗時已接通電源正要釋放紙帶時的情況.請你指出該同學的五個差錯.電源 打點計時器位置 滑輪位置 小車位置 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關系”的實驗中，在研究加速度a與小車的質(zhì)量M的關系時,由于沒有注意始終滿足M〉〉m的條件，結果得到的圖像應是下圖的( )7.如圖甲所示為“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關系”的實驗裝置。7.如圖甲所示為“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關系”的實驗裝置。砝碼盤中砝碼總重力F(N)0.196砝碼盤中砝碼總重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980加速度a(m?s—)0.691.181.662.182.70實驗數(shù)據(jù)如下表：在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中，打出了一條紙帶如圖3－4－4乙所示．計時器打點的時間間隔為0.02s.從比較清晰的點起，每5個點取一個計數(shù)點，量出相鄰計數(shù)點之間的距離.該小車的加速度a= m/s2.(結果保留兩位有效數(shù)字)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的請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖3—4—5中作出a-F的關系圖象.根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的a-F圖線不通過原點.請說明主要原因.8.為了探究加速度與力的關系，使用如圖實—4—14所示的氣墊導軌裝置進行實驗。其中G1、G2為兩個光電門，它們與數(shù)字計時器相連，當滑行器通過q、G2光電門時，光束被遮擋的時間At「At2都可以被測量并記錄，滑行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,光電門間距離為x,牽引砝碼的質(zhì)量為m?；卮鹣铝袉栴}:圖實－4－14實驗開始應先調(diào)節(jié)氣墊導軌下面的螺釘，使氣墊導軌水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調(diào)節(jié)是否到位？答:若取M=0.4kg,改變m的值，進行多次實驗，以下m的取值不合適的一個是

oA.肌］=5g B.m2=15g C.m3=40g D.m4=400g（3）在此實驗中，需要測得每一個牽引力對應的加速度，求得的加速度的表達式為 。（用A［、At?、D、s表示）高考題：1、（2010年山東卷）某同學設計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關系。彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接。在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ,并測出間距d。開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0,以此表示滑動摩擦力的大小。再將木板放回原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)片，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t。木板的加速度可以用d,t表示為a ；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是（一種即可）.改變瓶中水的質(zhì)量重復實驗，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)片的關系。下列圖象能表示該同學實驗結果的是 。用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是a.可以改變滑動摩擦力的大小 b.可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù)c.可以比較精確地測出摩擦力的大小 d.可以獲得更大的加速度以提高實驗精度2、（2010.江蘇單科，11）為了探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規(guī)律，某同學采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關系”的實驗裝置（如圖3—3—14所示）.實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力 時器后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運動的阻力. 誌碼』卄 卡（1）往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車 （選填 H ］“之前”或“之后”）接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點.時間t/s00.501.001.502.002.50速度e/(m?s—)0.120.190.230.260.280.29（2）從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量，得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表：請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出小車的v—t圖象.（3）通過對實驗結果的分析，該同學認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將

變大.你是否同意他的觀點？請根據(jù)V—t圖象簡要闡述理由.3、(2012年全國卷)圖1為驗證牛頓第二定律的實驗裝置示意圖。圖中打點計時器的電源為50Hz的交流電源，打點的時間間隔用△t表示。在小車質(zhì)量未知的情況下，某同學設計了一種方法用來研究“在外力一定的條件下，物體的加速度與其質(zhì)量間的關系”。(1)完成下列實驗步驟中的填空：①平衡小車所受的阻力：小吊盤中不放物塊，調(diào)整木板右端的高度，用手輕撥小車，直到打點計時器打出一系列 的點。按住小車，在小吊盤中放入適當質(zhì)量的物塊，在小車中放入砝碼。打開打點計時器電源，釋放小車，獲得帶有點列的紙袋，在紙袋上標出小車中砝碼的質(zhì)量m。按住小車，改變小車中砝碼的質(zhì)量，重復步驟③。在每條紙帶上清晰的部分，沒5個間隔標注一個計數(shù)點。測量相鄰計數(shù)點的間距S],s2,…。求出與不同m相對應的加速度a。以砝碼的質(zhì)量m為橫坐標丄為縱坐標，在坐標紙上做出丄m關系圖線。若加速度與小aa車和砝碼的總質(zhì)量成反比，則1與m處應成 關系(填“線性”或“非線性”)。a(2)完成下列填空：(i)本實驗中，為了保證在改變小車中砝碼的質(zhì)量時，小車所受的拉力近似不變，小吊盤和盤中物塊的質(zhì)量之和應滿足的條件是 (ii)設紙帶上三個相鄰計數(shù)點的間距為S]、s2、s3。a可用S]、s3和4