高中物理實驗04-驗證牛頓第二定律

實驗四驗證牛頓第二定律（原卷版）1.實驗原理(1)保持質(zhì)量不變,探究加速度與合力的關系。(2)保持合力不變,探究加速度與質(zhì)量的關系。(3)作出a-F圖象和a-1m2.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、砝碼、夾子、細繩、交流電源、導線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺。3.實驗步驟(1)測量:用天平測量小盤和砝碼的質(zhì)量m',小車的質(zhì)量m。(2)安裝:按照如圖所示的裝置把實驗器材安裝好,但是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(不給小車牽引力)。(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,使小車能勻速下滑。(4)操作:①小盤通過細繩繞過定滑輪系在小車上,先接通電源,后放開小車,打點結束后先斷開電源,再取下紙帶。②保持小車的質(zhì)量m不變,改變小盤和砝碼的質(zhì)量m',重復步驟①。③在每條紙帶上選取一段比較理想的部分,測加速度a。④描點作圖,以m'g作為拉力F,作出a-F圖象。⑤保持小盤和砝碼的質(zhì)量m'不變,改變小車質(zhì)量m,重復步驟①和③,作出a-1m4.數(shù)據(jù)分析(1)利用Δx=aT2及逐差法求a。(2)以a為縱坐標,F為橫坐標,根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點,如果這些點在一條過原點的直線上,說明a與F成正比。(3)以a為縱坐標,1m為橫坐標,描點、連線,如果該線為過原點的直線,就能判定a與m5.注意事項(1)平衡摩擦力:適當墊高木板的右端,使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力。在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,讓小車拉著穿過打點計時器的紙帶勻速運動。(2)不重復平衡摩擦力。(3)實驗條件:m?m'。(4)“一先一后一按”:改變拉力或小車質(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,后釋放小車,且應在小車到達滑輪前按住小車?！镜淅?】(多選)在用實驗探究加速度與力、質(zhì)量的關系時,下列關于實驗的思路和數(shù)據(jù)分析中,正確的是()。A.實驗的基本思路之一是保持物體質(zhì)量不變,測量物體在不同力作用下的加速度,分析加速度與力的關系B.實驗的基本思路之一是保持物體所受力相同,測量質(zhì)量不同的物體在該力作用下的加速度,分析加速度和質(zhì)量的關系C.處理實驗數(shù)據(jù)時,以a為縱坐標,F為橫坐標,根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標系中描點,若這些點在一條過原點的直線上,說明a與F成正比D.在處理數(shù)據(jù)時,以a為縱坐標,M為橫坐標,根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標系中描點,若這些點不在一條過原點的直線上,說明a與M成反比【針對訓練1】某實驗小組利用圖示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關系。(1)(多選)下列做法正確的是(填字母代號)。

A.調(diào)節(jié)滑輪的高度,使牽引小車的細繩與長木板保持平行B.調(diào)節(jié)木板傾斜度,平衡小車受到的滑動摩擦力時,將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在小車上C.實驗時,先放開小車再接通打點計時器的電源D.通過增減小車上的砝碼改變質(zhì)量時,不需要重新調(diào)節(jié)木板的傾斜度(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于小車運動時受到的拉力,應滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量m(選填“遠大于”“遠小于”或“近似等于”)小車和小車上砝碼的總質(zhì)量M。

(3)小明和小紅在同一實驗室,各取一套圖示的裝置放在水平桌面上,小車上均不放砝碼,在沒有平衡摩擦力的情況下,研究加速度a與拉力F的關系,分別得到圖中甲、乙兩條直線。設小明和小紅用的小車質(zhì)量分別為m甲、m乙,小明和小紅用的小車與木板間的動摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙,由圖可知,m甲m乙,μ甲μ乙。(選填“大于”“小于”或“等于”)

【典例2】如圖所示是某同學探究加速度與力、質(zhì)量的關系時已接通電源正要釋放紙帶時的情況,請你改正該同學的5個差錯:(1)電源;

(2)打點計時器位置;

(3)滑輪位置;

(4)小車位置;

(5)長木板。

【針對訓練2】“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關系”的實驗裝置如圖甲所示,回答下列問題。甲(1)實驗中打出了一條紙帶。紙帶上A、B、C、D、E、F、G這些點的間距如圖乙中所示,其中每相鄰兩點間還有4個計時點未畫出,根據(jù)測量結果計算:打C點時紙帶的速度大小為m/s;紙帶運動的加速度大小為m/s2。(結果保留3位有效數(shù)字)

乙丙(2)某次利用上述已調(diào)整好的裝置進行實驗時,保持鉤碼總個數(shù)不變,小車自身的質(zhì)量為M且保持不變,在小車上加不同質(zhì)量m的鉤碼,并測出小車中不同鉤碼質(zhì)量所對應的加速度a,以m為橫坐標,1a為縱坐標,在坐標紙上作出如圖丙所示的1a-m關系圖線,實驗結果驗證了牛頓第二定律。如果圖中縱軸上的截距為b,直線的斜率為k,則小車受到的拉力大小為,小車的質(zhì)量為【典例3】圖甲為驗證牛頓第二定律的實驗裝置示意圖,圖中打點計時器所接電源的頻率為50Hz。某小組同學保持木塊質(zhì)量M不變,探究加速度a與合力F的關系。某次實驗的紙帶如圖乙所示,每5個點取一個計數(shù)點,則打下B點時木塊的速度v=m/s,木塊的加速度a=m/s2。但該組同學由于疏忽沒有平衡摩擦力f(帶滑輪的長木板水平),得到a-F圖象如圖丙所示。則木塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ=,圖象后段出現(xiàn)彎曲的原因是。(g=10m/s2,結果保留2位小數(shù))

【針對訓練3】在“探究加速度與力、質(zhì)量的關系”的實驗中,某小組設計了如圖甲所示的實驗裝置。圖中上下兩層水平軌道表面光滑,兩小車前端系上細線,細線跨過滑輪并掛上砝碼盤,兩小車尾部細線連到控制裝置上,實驗時通過控制裝置使兩小車同時開始運動,然后同時停止。(1)在安裝實驗裝置時,應調(diào)整滑輪的高度,使;在實驗時,為減小系統(tǒng)誤差,應使砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量小車的質(zhì)量(選填“遠大于”“遠小于”或“等于”)。

(2)本實驗通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小,能這樣比較,是因為

。

(3)實驗中獲得的數(shù)據(jù)如下表所示:小車Ⅰ、Ⅱ的質(zhì)量約為200g。實驗次數(shù)小車拉力F/N位移x/cm1Ⅰ0.1Ⅱ0.246.512Ⅰ0.229.04Ⅱ0.343.63(續(xù)表)實驗次數(shù)小車拉力F/N位移x/cm3Ⅰ0.341.16Ⅱ0.444.804Ⅰ0.436.43Ⅱ0.545.56在第1次實驗中小車Ⅰ從A點運動到B點的位移如圖乙所示,請將測量結果填到表中空格處。通過分析,可知表中第次實驗數(shù)據(jù)存在明顯錯誤,應舍棄。

【典例4】某實驗小組利用如圖甲所示的實驗裝置測量小滑車和木板之間的動摩擦因數(shù)。主要實驗步驟如下:①將帶滑輪的長木板固定在水平桌面上,按圖連接實驗裝置,小滑車置于打點計時器附近,牽引端只掛一個鉤碼。②接通電源,由靜止釋放小滑車,小滑車運動至木板左端附近時制動小滑車,關閉電源,取下紙帶,計算加速度a1。③依次從小滑車上取下第一個、第二個、第三個……鉤碼掛在牽引端,重復步驟②,分別計算加速度a2、a3、a4、…。④在a-m坐標系中描點,用直線擬合,計算動摩擦因數(shù)(m為牽引端鉤碼總質(zhì)量)。請回答下列問題:(1)關于實驗原理及操作,下列說法正確的是。

A.實驗中必須平衡摩擦力B.滑輪與小滑車間的細繩應與木板平行C.必須保證牽引端鉤碼的總質(zhì)量遠小于小滑車和車上鉤碼的總質(zhì)量D.還需要測得小滑車的質(zhì)量(2)某條紙帶測量數(shù)據(jù)如圖乙所示,A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數(shù)點,相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出。量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為AB=4.22cm、BC=4.65cm、CD=5.08cm、DE=5.49cm、EF=5.91cm、FG=6.34cm。已知打點計時器的實際工作頻率為50Hz,則小滑車的加速度值a=m/s2。(結果保留2位有效數(shù)字)

乙(3)測得a-m圖線在a軸上的截距為b,已知重力加速度為g,則小滑車與木板間的動摩擦因數(shù)的表達式為。

【針對訓練4】某同學設計了一個如圖甲所示的裝置用來測定滑塊與木板間的動摩擦因數(shù),其中A為滑塊,質(zhì)量為M,B和C是質(zhì)量可調(diào)的砝碼,不計繩和滑輪的質(zhì)量及它們之間的摩擦,裝置水平放置。實驗中該同學在砝碼總質(zhì)量(m+m'=m0)保持不變的條件下,改變m和m'的大小,測出不同m下系統(tǒng)的加速度,然后通過實驗數(shù)據(jù)的分析就可求出滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)。(1)該同學手中有打點計時器、紙帶、質(zhì)量已知且可隨意組合的砝碼若干、滑塊、一端帶有定滑輪的長木板、細線,為了完成本實驗,得到所要測量的物理量,還應有。

A.秒表B.毫米刻度尺C.天平 D.交流電源(2)實驗中,該同學得到一條較為理想的紙帶,如圖乙所示,從清晰的O點開始,每隔4個點取一計數(shù)點(中間4個點沒畫出),分別記為A、B、C、D、E、F,各計數(shù)點到O點的距離為OA=1.61cm,OB=4.02cm,OC=7.26cm,OD=11.30cm,OE=16.14cm,OF=21.80cm,打點計時器打點頻率為50Hz,則由此紙帶可得到打E點時滑塊的速度v=m/s,此次實驗滑塊的加速度a=m/s2。(結果均保留2位有效數(shù)字)

(3)在實驗數(shù)據(jù)處理中,該同學以m為橫軸,以系統(tǒng)的加速度a為縱軸,繪制了如圖丙所示的實驗圖線,結合本實驗可知滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ=。(g取10m/s2)

【典例5】某物理課外小組利用圖甲中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關系。圖中,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(zhì)量均為0.010kg。實驗步驟如下:(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(nèi);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(jīng)數(shù)據(jù)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圖象如圖乙所示;由圖乙求出此時小車的加速度(保留2位有效數(shù)字),將結果填入下表。n12345a/(m·s-2)0.200.580.781.00