实验四验证牛顿运动定律
一、基本原理与操作
原理装置图操作要领
探究方法——控制变量法
(1)平衡:必须平衡摩擦力(改变小车或重物质量,无
需重新平衡摩擦力)
(2)质量:重物的总质量远小于小车质量(若使用力
传感器,或以小车与重物的系统为研究对象无需满
足此要求)
(3)要测量的物理量
①小车与其上砝码的总质量(天平)
②小车受到的拉力(约等于重物的重力)
③小车的加速度(根据纸带用逐差法或根据光电门
数据计算加速度)
(4)其他:细绳与长木板平行；小车从靠近打点计时
器的位置释放,在到达定滑轮前按住小车,实验时先
接通电源,后释放小车
(1)利用Δx＝aT2及逐差法求a。
(2)以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点,如果这些点在一条过原点的直线上,如图1甲所示,说明a与F成正比。
图1
(3)以a 为纵坐标,1
M为横坐标,描点、连线,如果该线为过原点的直线,如图乙所示,
就能判定a
与M成反比。
注意事项
(1)平衡摩擦力的方法:在长木板无滑轮的一端垫上小木块,使其适当倾斜,利用小车重力沿斜面方向的分力与摩擦力平衡。
(2)判断小车是否做匀速直线运动,一般可目测,必要时可通过打点纸带,看上面各点间的距离是否均匀。
(3)平衡摩擦力时要注意以下几点
①平衡摩擦力时不能在轻绳的另一端挂托盘
②平衡摩擦力必须让小车连上纸带,且让打点计时器处于工作状态
③平衡摩擦力时可借助纸带上点迹是否均匀来判断
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＋m g,F T＝
M
M＋m
mg＝
mg
1＋
m
M
,只有当M m时,才可近似认为小车所受的拉力F T
等于mg,所以本实验存在系统误差。
(3)平衡摩擦力不准确会造成误差。
教材原型实验
命题角度实验原理与实验操作
【例1】(1)我们已经知道,物体的加速度a同时跟合外力F和质量M两个因素有关。探究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是____________。
(2)某同学的实验方案如图2所示,他想用沙和沙桶的总重力表示小车受到的合外力F,为了减小这种做法带来的实验误差,他先做了两方面的调整措施:
图2
①用小木块将长木板不带定滑轮的一端垫高,目的是____________。
②使沙和沙桶的总质量远小于小车的质量,目的是使拉小车的力近似等于__________________。
(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时,处理方案有两种:
A.利用公式a＝2x
t2计算；
B.根据a＝Δx
T2,利用逐差法计算。
两种方案中,你认为选择方案________比较合理。
【试题解析】: (1)探究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是控制变量法。
(2)想用沙和沙桶的总重力表示小车受到的合外力F,为了减小这种做法带来的实验误差,应使沙和沙桶的总质量远小于小车的质量；还要用小木块将长木板不带定滑轮的一端垫高,目的是平衡摩擦力。
(3)利用实验中打出的纸带求加速度时,需要根据a＝Δx
T2,利用逐差法计算,选项B正
确。
【试题参考答案】: (1)控制变量法(2)①平衡摩擦力②沙和沙桶的总重力(3)B
拓展训练1 如图3所示,某学生实验小组定量探究加速度与力、质量的关系。实验时使小车在砝码和托盘的牵引下运动。
图3
(1)实验室准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸及如图所示的器材。若要完成该实验,必需的实验器材还有________________。
(2)为达到平衡摩擦力的目的,取下细绳和托盘,通过调节垫片的位置,改变长木板倾斜程度,根据打出的纸带判断小车是否做________运动。
(3)实验开始时,先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行。这样做的目的是________(填选项前的字母)。
A.避免小车在运动过程中发生抖动
B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C.可以保证小车最终能够实现匀速直线运动
D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力
【试题参考答案】: (1)天平、刻度尺(2)匀速直线(3)D
拓展训练2 为了探究加速度与力、质量的关系,甲、乙、丙三位同学分别设计了如图4所示的实验装置,小车质量用M表示(乙图中M包括小车与传感器,丙图中M包括小车和与小车固连的滑轮),钩码总质量用m表示。
甲
乙
丙
图4
(1)为便于测量合外力的大小,并得到“小车质量一定时,小车的加速度与所受合外力成正比”的结论,下列说法正确的是________(填选项前的字母)。
A.三组实验中只有甲同学的实验需要平衡摩擦力
B.三组实验都需要平衡摩擦力
C.三组实验中只有甲同学的实验需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的质量M的条件
D.三组实验都需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的质量M的条件
(2)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和弹簧测力计读数相同,通过计算
得到小车加速度均为a＝g
3(g为当地重力加速度),则乙、丙两位同学实验时所用的
小车质量之比为________,乙、丙两位同学实验时所用的钩码总质量之比为________。
【试题参考答案】: (1)BC(2)1∶21∶2
命题角度数据处理与误差分析
【例2】某同学用如图5甲所示的装置做“探究物体的加速度与力的关系”的实验。实验时保持小车的质量不变,用钩码的重力作为小车受到的合外力,根据打点计时器在小车后端拖动的纸带上打出的点迹计算小车运动的加速度。
图5
(1)实验时先不挂钩码,反复调整垫木的位置,直到小车做匀速直线运动,这样做的目的是_____________________________________________________________。
(2)图乙为实验中打出的一条纸带的一部分,从比较清晰的点迹起,在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E,相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出,测出各计数点到A点之间的距离,如图乙所示。已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源两端,则此次实验中小车运动的加速度的测量值a＝__________m/s2。(结果保留2位有效数字)
