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牛顿第二定律 测加速度 原理及变化一、实验目的1．会用控制变量法探究加速度a 与合力F 、质量M 的关系；2．掌握利用图像法处理实验数据的方法．二、实验器材一端有定滑轮的长木板、刻度尺、复写纸片和纸带、小车、盘、重物、电磁打点计时器、天平、砝码、托盘、导线．考点一 实验原理与实验操作本实验利用盘及盘中重物通过细绳牵引小车做加速运动的方法研究加速度a 与力F 、质量M 的关系．实验时采用控制变量法，共分两步研究：第一步，保持小车的质量不变，改变盘中重物的质量，测出相应的a ，验证a 与F 的关系；第二步，保持盘中重物的质量不变，改变小车上砝码的质量，测出小车运动的加速度a ，验证a 与M 的关系．实验应测量的物理量有：(1)小车及车上砝码的总质量M ：用天平测出．(2)小车受到的拉力F ：拉力近似等于盘和重物的总重力mg (盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量)．(3)小车的加速度a ：通过打点计时器打出纸带，由a ＝a 1＋a 2＋a 33＝x 6＋x 5＋x 4－x 3－x 2－x 19T 2计算出． 在“用DIS 探究牛顿第二定律”的实验中，装置如图S41(a)所示．(1)本实验是通过改变钩码质量来改变对小车的拉力，通过增加小车上的配重片来改变小车的质量，通过位移传感器测得小车的v -t 图像，通过求解斜率小车的加速度．(a) (b)图S41(2)图(b)为小车所受作用力不变时实验所得的a -1M 图像，从图像上可以看到直线不过原点，其原因是BD ．A ．钩码质量过大B ．轨道倾斜，左端偏高C ．轨道倾斜，右端偏高D ．小车与轨道间的摩擦未被平衡 由图（b ）所示a-图象可知，图象不过原点，在横轴上有截距，这是由于：轨道倾斜，左端偏高或小车与轨道间的摩擦偏大造成的，故BD 正确如图S42所示为用速度传感器探究小车获得的速度与小车受到的合力及运动位移关系的实验装置：该小组设计的思路是将小车从A 位置由静止释放，用速度传感器测出小车获得的速度．实验分两步进行：一是保持沙和沙桶的质量不变，改变速度传感器B 与A 位置的距离，探究小车获得的速度与小车运动位移的关系；二是保持速度传感器的位置不变，改如图S42所示为用速度传感器探究小车获得的速度与小车受到的合力及运动位移关系的实验装置：该小组设计的思路是将小车从A 位置由静止释放，用速度传感器测出小车获得的速度．实验分两步进行：一是保持沙和沙桶的质量不变，改变速度传感器B 与A 位置的距离，探究小车获得的速度与小车运动位移的关系；二是保持速度传感器的位置不变，改用速度传感器测出小车获得的速度．实验分两步进行：一是保持沙和沙桶的质量不变，改变速度传感器B 与A 位置的距离，探究小车获得的速度与小车运动位移的关系；二是保持速度传感器的位置不变，改变沙和沙桶的质量，探究小车获得的速度与小车所受合力的关系．图S42(1)实验中在探究三个物理量的关系时，采用的物理方法是控制变量法．(2)在探究小车获得的速度v 与小车运动位移x 的关系时，测出多组v 、x 的数据后作出的v 2x 图像的形状是直线．(填“直线”或“曲线”)(3)在探究小车获得的速度与小车所受合力的关系时，要使沙和沙桶的重力等于小车受到的合力需要采取什么措施？平衡摩擦力■ 注意事项(1)在本实验中，必须平衡摩擦力，在平衡摩擦力时，不要把盘和重物系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．(2)安装器材时，要调整滑轮的高度，使拴小车的细绳与斜面平行，且连接小车和盘应在平衡摩擦力之后．(3)改变小车的质量或拉力的大小时，改变量可适当大一些，但应满足盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量．盘和重物的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%.(4)改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮处前按住小车．考点二 数据处理与误差分析1.数据处理(1)先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据公式a ＝Δx T 2计算加速度． (2)需要记录各组对应的加速度a 与小车所受牵引力F ，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a ，横坐标表示作用力F ，描点画出a -F 图像，如果图线是一条过原点的直线，便证明加速度与作用力成正比．再记录各组对应的加速度a 与小车和砝码的总质量M ，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a ，用横坐标表示总质量的倒数1M ，描点画出a -1M图像，如果图线是一条过原点的直线，就证明了加速度与质量成反比．2．误差分析(1)质量的测量、纸带上计数点间距离的测量、拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差．(2)实验原理不完善引起误差．通过适当的调节，使小车所受的阻力被平衡，当小车做加速运动时，可以得到a ＝m M ＋mg ，T ＝mg M M ＋m ＝mg 1＋m M，只有当M ≫m 时，才可近似认为小车所受的拉力T 等于mg ，所以本实验存在系统误差．(3)平衡摩擦力不准造成误差．某同学利用图S43(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a 与钩码的质量m 的对应关系图，如图(b)所示．实验中小车(含发射器)的质量为200 g ，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：(a)(b)图S43(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成非线性(选填“线性”或“非线性”)关系．(2)由图(b)可知，a -m 图线不经过原点，可能的原因是存在摩擦力．(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg 作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是调节倾斜角以平衡摩擦力，钩码的质量应满足的条件是远小于小车质量．1 用如图S44所示的装置探究加速度与力和质量的关系，带滑轮的长木板和弹簧测力计均水平固定．图S44(1)实验时，一定要进行的操作是A,B (填选项前的字母)．A ．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数B ．改变沙和沙桶的总质量，打出几条纸带C ．用天平测出沙和沙桶的总质量D ．为减小误差，实验中一定要保证沙和沙桶的总质量远小于小车的质量(2)以弹簧测力计的示数F 为横坐标，以加速度a 为纵坐标，画出的a -F 图像可能正确的是图S45中的A (填选项字母)．图S45(3)若测出的a -F 图像的斜率为k ，则小车的质量为2/k ．某实验小组利用如图S46甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系．(1)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M 和气垫导轨最右端高度h (见图甲)．关于“改变滑块质量M 和气垫导轨最右端的高度”的正确操作方法是A ．A ．M 减小时，h 增大，以保持二者乘积不变B ．M 增大时，h 增大，以保持二者乘积增大C ．M 增大时，h 减小，以保持二者乘积减小D ．M 减小时，h 减小，以保持二者乘积减小(2)做实验时，将滑块从图甲所示位置(气垫导轨右端)由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt 1、Δt 2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x ，用游标卡尺测得遮光条宽度d .则滑块加速度的表达式a ＝________(以上表达式均用已知字母表示)．如图乙所示，若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，其读数为8.15mm.图S46■ 注意事项(1)如果a 与1M 是正比关系，则a -1M图像是直线，而若a 与M 是反比关系，则a -M 图像是曲线，在研究两个量的关系时，直线更易确定两者之间的关系，故本实验作a -1M图像．(2)在平衡摩擦力时，除了不挂盘和重物外，其他都应跟正式实验一样，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点间的距离相等．1．[2015·大连二诊] 某同学在“探究加速度与力的关系”实验中，按照正确操作步骤，得到了在不同合外力下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等几条纸带，并在纸带上每5个点取一个计数点，即相邻两计数点间的时间间隔为0.1 s ，将某同学在“探究加速度与力的关系”实验中，按照正确操作步骤，将每条纸带上的计数点都记为0、1、2、3、4、5…，如图S47所示A 、B 、C 三段纸带，分别是从三条不同纸带上撕下的．．图S47(1)打下计数点1时，纸带的速度大小为0.20m/s(保留两位有效数字，下同)；(2)打Ⅰ纸带时，物体的加速度大小是2.0m/s2；(3)在A、B、C三段纸带中，属于纸带Ⅰ的是B．2．[2015·兰州3月诊断] 在“探究加速度和力的关系”的实验中，某校的兴趣小组采用如图S48甲所示的传感器实验装置进行研究，计算机可通过位移传感器采集的数据直接计算出小车的加速度．实验时他们用钩码的重力作为小车所受外力，平衡好摩擦后，保持小车质量不变，改变所挂钩码的数量，多次重复测量．根据测得的多组数据可画出a-F关系图线(如图乙所示)．甲乙图S48(1)分析此图线的OA段可得出的实验结论是小车质量不变时，其加速度与受到的合力成正比.(2)此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是(C)A．小车与轨道之间存在摩擦B．导轨保持了水平状态C．所挂钩码的总质量太大D．所用小车的质量太大对小车和钩码分别应用牛顿第二定律，当m远小于M时可认为小车受到的合力等于钩码重力，如果钩码质量过大，则小车受到合力明显小于钩码重力，实验误差较大，a F图像偏离直线，C正确。
4.3牛顿第二定律（考点解读）（原卷版）考点1 牛顿第二定律的图像问题1、物体质量一定时，受力越大，加速度越大，即a ∝F ，所以物体的F-a 图象是一条直线。
2、物体受力一定时，它的质量越大，加速度越小，即a ∝m 1，所以物体的m 1-a 图象是一条直线。
考点2 牛顿第二定律即1N=1kg •m/s 2。
3、适用范围：情况。
4、对牛顿第二定律的进一步理解牛顿第二定律是动力学的核心内容，我们要从不同的角度，多层次、系统化地理解其内涵：F 量化了迫使物体运动状态发生变化的外部作用，m 量化了物体“不愿改变运动状态”的基本特性（惯性），而a则描述了物体的运动状态（v）变化的快慢．明确了上述三个量的物另外，牛顿第二定律给出的F、m、a三者之间的瞬时关系，也是由力的作用效果的瞬时性特征所决定的。
加速度则是每个力产生的加速度的矢量和，合加速度总是与合外力相对应。
考点3 实验验证牛顿第二定律【实验目的】1、学会用控制变量法探究加速度a与力F、质量M的关系。
2、掌握灵活运用图象处理问题的方法。
3、掌握利用图象处理数据的方法。
【实验原理】本实验中，探究加速度a与力F、质量M的关系，可以先保持F不变，研究a和M的关系，再保持M不变，研究a和F的关系。
【实验器材】一端有定滑轮的长木板、低压交流电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线。
【实验步骤】1、用天平测出小车的质量M和盘的质量m0，把数值记录下来。
2、把实验器材安装好。
3、平衡摩擦力：在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动其位置，直至不挂盘和重物的小车刚好能在斜面上保持匀速直线运动为止。
4、将盘和重物通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使小车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上标上号码。
5、保持小车的质量不变，改变盘中重物的质量，重复步骤4，每次记录必须在相应的纸带上做上标记，将记录的数据填写在表格内。
实验03 （考点解读）验证牛顿第二定律一、实验目的（1）学会用控制变量法研究物理规律；（2）验证牛顿第二定律；（3）学会利用图像处理数据。
二、实验原理探究加速度a与力F及质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量即小车的质量M不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制砝码盘和砝码的质量不变，即力F 不变，改变小车的质量M，讨论加速度a与质量M的关系。
三、实验器材小车、砝码、钩码、细线、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、复写纸、托盘天平、刻度尺。
四、实验步骤1.称量质量——用天平测量小车的质量m0。
2.安装器材——按照如图所示的装置把实验器材安装好，只是不把悬挂钩码的细绳系在小车上（即不给小车牵引力）。
3.平衡摩擦力——在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。
4.让小车靠近打点计时器，挂上钩码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带。
钩码的重力即为小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并记录力和对应的加速度。
5.改变钩码的个数，重复步骤4，并多做几次。
6.保持钩码的个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带。
计算小车和砝码的总质量m，并由纸带计算出小车对应的加速度，记录对应的质量和加速度。
7.改变小车上砝码的个数，重复步骤6，并多做几次。
五、数据处理1.计算加速度——先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。
2.作图像找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F，建立直角坐标系，描点画a-F图像，如果图像是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与作用力成正比。
再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量m，建立直角坐标系，描点画图像，如果图像是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。
2012届高三物理一轮复习导学案三、牛顿运动定律（4）【课题】实验：探究物体的加速度a与所受合外力F、物体质量之间的关系。
【导学目标】1．通过实验研究加速度与力、加速度与质量的关系。
2．掌握实验数据处理的方法，能根据图像写出加速度与力、质量的关系式。
【实验原理】1．如图所示装置，保持小车质量M不变，改变小桶内砂的质量m，从而改变细线对小车的牵引力F(当m<<M时，F=mg近似成立)，测出小车的对应加速度a，由多组a、F数据作出加速度和力的关系a-F图线，探究加速度与外力的关系。
2．保持小桶和砂的质量不变，在小车上加减砝码，改变小车的质量M，测出小车的对应加速度a，由多组a、M数据作出加速度和质量倒数的关系a-M-1图线，探究加速度与质量的关系。
【实验器材】小车，砝码，小桶，砂，细线，附有定滑轮的长木板，垫块，打点计时器，低压交流电源，导线两根，纸带，托盘天平及砝码，米尺。
【实验步骤】1．用调整好的天平测出小车和小桶的质量M和m，把数据记录下来。
2．按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂小桶用的细线系在小车上，即不给小车加牵引力。
3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，反复移动垫块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）。
4．在小车上加放砝码，小桶里放入适量的砂，把砝码和砂的质量M'和m'记录下来。
把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，取下纸带，在纸带上写上编号。
5．保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤4再做5次实验。
6．算出每条纸带对应的加速度的值。
7．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，即砂和桶的总重力(m+m')g，根据实验结果在坐标平面上描出相应的点，作图线。
探究加速度与外力的关系8．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，并做好记录，求出相应的加速度，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和车内砝码总质量的倒数1/（M+M’），在坐标平面上根据实验结果描出相应的点并作图线。
第4.2课时探究加速度与力、质量的关系一、实验目的1.探究加速度与力、质量的关系．2.掌握运用图像处理问题的方法．二、实验原理用控制变量法探究加速度a与力F、质量M的关系，可以先保持F不变，研究a 和M的关系，再保持M不变，研究a和F的关系．三、实验器材带定滑轮的长木板、低压交流电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线．四、实验步骤1.用天平测出小车的质量M，小盘和砝码的总质量m.2.按图把实验器材安装好，先不要把悬挂小盘的细绳系在车上．3.在木板的一端下面垫一木块，移动木块的位置，直至小车拖着纸带在斜面上做匀速运动．4.小盘绕过滑轮系于小车上，先通电源后放开小车，打完点后切断电源，取下纸带．5.保持小车的质量M不变，改变砝码和小盘的质量m，重复步骤4三次．6.在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.7.作aF的图像，若图像为一过原点的直线，证明加速度与力成正比．8.保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量M，重复步骤4和6，作a 1 M图像，若图像为一过原点的直线，证明加速度与质量成反比．五、注意事项1．牵引小车的砝码应有10g、20g、50g等规格。
没有小规格砝码，可用沙桶装沙替代，质量用天平称量。
2．探究加速度与力的关系：小车质量为200g，两车上面均可加100g左右的砝码。
保持其中一个小车所挂砝码不变（如20g），另一小车所挂砝码逐渐加大，但不要过大。
砝码质量过大，会使图象线性变差。
3．探究加速度与质量的关系：一车质量固定为300g，另一车质量可自200g 起，逐次增加砝码至700g~800g。
牵引小车的砝码以30g~40g为宜。
小车质量过大，夹子不容易夹住车后拖线，造成位移误差。
4．小车后所系线绳要用适当粗些的棉绳，当夹子夹住线绳时不会滑动。
如果用表面较光滑的尼龙绳，当夹子闭合时线绳还会被小车拖一段距离才会停住。
解决的办法可在尼龙绳上擦一些松香，以增大线绳与夹子之间的摩擦力。
