物理总第三章 牛顿运动定律 实验四 验证牛顿运动定律

实验四验证牛顿运动定律实验四验证牛顿运动定律注意事项注意事项1.实验方法：实验方法：控制变量法。控制变量法。2.平衡摩擦力：平衡摩擦力：不悬挂小盘，但小车连着纸带不悬挂小盘，但小车连着纸带3.不重复不重复：不重复平衡摩擦力。：不重复平衡摩擦力。4.实验条件：实验条件：Mm。小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的。小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。拉力。5.一先一后一按住：一先一后一按住：先接通电源，后放小车，且在小车到达滑轮先接通电源，后放小车，且在小车到达滑轮前按住小车。前按住小车。6.作图作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位。：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位。误差分析误差分析1.因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。盘和砝码的总重力。2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。热点一教材原型实验热点一教材原型实验【例【例1】为了为了“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图，现提供如图1所示的实验装置：所示的实验装置：图图1(1)以下实验操作正确的是以下实验操作正确的是()A.将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在砝码及砝码盘将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动的牵引下恰好做匀速运动B.调节滑轮的高度，使细线与木板平行调节滑轮的高度，使细线与木板平行C.先接通电源，后释放小车先接通电源，后释放小车D.实验中小车的加速度越大越好实验中小车的加速度越大越好图图2(2)在实验中得到一条如图在实验中得到一条如图2所示的纸带，已知相邻计数点间的所示的纸带，已知相邻计数点间的时间间隔为时间间隔为T0.1 s，且间距，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分已量出分别为别为3.09 cm、3.43 cm、3.77 cm、4.10 cm、4.44 cm、4.77 cm，则小车的加速度则小车的加速度a_m/s2。(结果保留结果保留2位有效数字位有效数字)(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力与所受外力F的关系，他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别的关系，他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条做了实验，得到了两条aF图线，如图图线，如图3所示。图线所示。图线_是在轨道倾斜情况下得到的是在轨道倾斜情况下得到的(填填“”或或“”)；小车及车中砝码；小车及车中砝码的总质量的总质量m_kg。图图3解析解析(1)将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动，以使小车的重力沿斜面的分力况下使小车恰好做匀速运动，以使小车的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消，那么小车的合力就是细线的拉力，故选项和摩擦力抵消，那么小车的合力就是细线的拉力，故选项A错错误；细线的拉力为小车的合力，所以应调节定滑轮的高度使误；细线的拉力为小车的合力，所以应调节定滑轮的高度使细线与木板平行，故选项细线与木板平行，故选项B正确；实验时，应使小车靠近打点正确；实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放，先接通电源，后释放小车，故选项计时器由静止释放，先接通电源，后释放小车，故选项C正确；正确；实验时，为了减小实验的误差，小车的加速度应适当大一些，实验时，为了减小实验的误差，小车的加速度应适当大一些，但不是越大越好，故选项但不是越大越好，故选项D错误。错误。答案答案(1)BC(2)0.34(3)0.5【变式训练【变式训练1】(2017淮南模拟淮南模拟)某实验小组利用如图某实验小组利用如图4甲所示甲所示的装置进行的装置进行“探究加速度与合外力的关系探究加速度与合外力的关系”的实验。的实验。(1)在实验中必须平衡摩擦力，以在实验中必须平衡摩擦力，以_平衡摩擦力，当小平衡摩擦力，当小车车_运动时，摩擦力恰好被平衡。运动时，摩擦力恰好被平衡。(2)为了减小误差，在平衡摩擦力后，每次实验必须通过改变为了减小误差，在平衡摩擦力后，每次实验必须通过改变钩码的个数来改变小车所受合外力，获取多组数据。若小车钩码的个数来改变小车所受合外力，获取多组数据。若小车质量为质量为400 g，实验中每次所用的钩码总质量范围应选，实验中每次所用的钩码总质量范围应选_组会比较合理。组会比较合理。(填选项前的字母填选项前的字母)A.1040 gB.200400 gC.1 0002 000 g(3)实验中打点计时器所使用的是实验中打点计时器所使用的是_(选填选填“交流交流”或或“直直流流”)电源，频率为电源，频率为50 Hz，图乙中给出的是实验中获取的纸带的一部分：，图乙中给出的是实验中获取的纸带的一部分：1、2、3、4、5是计数点，每相邻两计数点间还有是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点未标出，个打点未标出，每两个计数点间的时间间隔是每两个计数点间的时间间隔是_s，由该纸带可求得小，由该纸带可求得小车的加速度车的加速度a_m/s2。(结果保留结果保留2位小数位小数)(4)改变钩码的个数重复实验，得到加速度改变钩码的个数重复实验，得到加速度a与合外力与合外力F的关系的关系如 图 丙 所 示 ， 分 析 线 段如 图 丙 所 示 ， 分 析 线 段 O A ， 可 得 出 实 验 的 结 论 是， 可 得 出 实 验 的 结 论 是_。答案答案(1)倾斜木板匀速直线倾斜木板匀速直线(2)A(3)交流交流0.11.07(4)在质量不变的条件下，物体的加速度与合外力成正比在质量不变的条件下，物体的加速度与合外力成正比图图4热点二实验拓展创新热点二实验拓展创新1.实验器材的改进实验器材的改进图图5(2)利用光电门测速度利用光电门测速度(如图如图6)图图6(3)利用位移传感器测位移利用位移传感器测位移(如图如图7)图图72.数据测量的改进数据测量的改进3.实验的拓展延伸实验的拓展延伸 以以“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”为背景测量物块与木板间为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。的动摩擦因数。【例【例2】在用】在用DIS研究小车加速度与外力的关系时，某实验小研究小车加速度与外力的关系时，某实验小组先用如图组先用如图8a所示的实验装置，重物通过滑轮用细线拉小车，所示的实验装置，重物通过滑轮用细线拉小车，在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器，位移传感在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器，位移传感器器(发射器发射器)随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器(接收器接收器)固定在轨道一端，实验中力传感器的拉力为固定在轨道一端，实验中力传感器的拉力为F，保持小车，保持小车包括包括位移传感器位移传感器(发射器发射器)的质量不变，改变重物重力重复实验若干的质量不变，改变重物重力重复实验若干次，得到加速度与外力的关系如图次，得到加速度与外力的关系如图b所示。所示。图图8解析解析(1)根据图象可知，当根据图象可知，当F0.67 N时，小车开始有加速度，时，小车开始有加速度，则则Ff0.67 N。(1)小车与轨道间的滑动摩擦力小车与轨道间的滑动摩擦力Ff_N。(2)从图象中分析，小车从图象中分析，小车包括位移传感器包括位移传感器(发射器发射器)的质量为的质量为_kg。(3)该实验小组为得到该实验小组为得到a与与F成正比的关系，应将斜面的倾角成正比的关系，应将斜面的倾角调整到调整到tan _。(3)为得到为得到a与与F成正比的关系，则应该平衡摩擦力，则有：成正比的关系，则应该平衡摩擦力，则有：Mgsin Mgcos 解得解得tan ，所以所以tan 0.1。答案答案(1)0.67(2)0.67(3)0.1【变式训练【变式训练2】甲、乙两同学均设计了测动摩擦因数的实验。甲、乙两同学均设计了测动摩擦因数的实验。已知重力加速度为已知重力加速度为g。图图9(1)甲同学所设计的实验装置如图甲同学所设计的实验装置如图9甲所示。其中甲所示。其中A为一质量为为一质量为M的长直木板，的长直木板，B为木板上放置的质量为为木板上放置的质量为m的物块，的物块，C为物块为物块右端连接的一轻质弹簧测力计。实验时用力将右端连接的一轻质弹簧测力计。实验时用力将A从从B的下方抽的下方抽出，通过出，通过C的读数的读数F1即可测出动摩擦因数。则该设计能测出即可测出动摩擦因数。则该设计能测出_(填填“A与与B”或或“A与地面与地面”)之间的动摩擦因数，其表达之间的动摩擦因数，其表达式为式为_。1.(2017威海模拟威海模拟)某实验小组利用如图某实验小组利用如图10所示的装置进行验证：所示的装置进行验证：当质量当质量m一定时，加速度一定时，加速度a与力与力F成正比的关系，其中成正比的关系，其中Fm2g，mm1m2(m1为小车及车内砝码的总质量，为小车及车内砝码的总质量，m2为桶为桶及桶中砝码的总质量及桶中砝码的总质量)。具体做法是：将小车从。具体做法是：将小车从A处由静止释处由静止释放，用速度传感器测出它运动到放，用速度传感器测出它运动到B处时的速度处时的速度v，然后将小，然后将小车内的一个砝码拿到小桶中，小车仍从车内的一个砝码拿到小桶中，小车仍从A处由静止释放，测处由静止释放，测出它运动到出它运动到B处时对应的速度，重复上述操作。图中处时对应的速度，重复上述操作。图中A、B相相距距x。图图10(3)下列哪些措施能够减小本实验的误差下列哪些措施能够减小本实验的误差_。A.实验中必须保证实验中必须保证m2m1B.实验前要平衡摩擦力实验前要平衡摩擦力C.细线在桌面上的部分应与长木板平行细线在桌面上的部分应与长木板平行D.图中图中A、B之间的距离之间的距离x尽量小些尽量小些(1)设加速度大小为设加速度大小为a，则，则a与与v及及x间的关系式是间的关系式是_。(2)如果实验操作无误，四位同学根据实验数据做出了下列图如果实验操作无误，四位同学根据实验数据做出了下列图象，其中哪一个是正确的象，其中哪一个是正确的()解析解析(1)小车做初速度为零的匀加速直线运动，由匀变速直小车做初速度为零的匀加速直线运动，由匀变速直线运动的速度线运动的速度位移公式得位移公式得v22ax。答案答案(1)v22ax(2)A(3)BC2.(2017清远二模清远二模)在用在用DIS研究小车加速度与外力的关系时，某研究小车加速度与外力的关系时，某实验小组先用如图实验小组先用如图11a所示的实验装置。重物通过滑轮用细线所示的实验装置。重物通过滑轮用细线拉小车，位移传感器拉小车，位移传感器(发射器发射器)随小车一起沿倾斜轨道运动，位随小车一起沿倾斜轨道运动，位移传感器移传感器(接收器接收器)固定在轨道一端。实验时将重物的重力作为固定在轨道一端。实验时将重物的重力作为拉力拉力F，改变重物重力重复实验四次，列表记录四组数据：，改变重物重力重复实验四次，列表记录四组数据：a/(ms2)2.012.984.025.01F/N1.002.003.004.00图图11(1)在图在图c所示的坐标纸上作出小车加速度所示的坐标纸上作出小车加速度a随拉力随拉力F变化的图线。变化的图线。(2)从所得图线分析该实验小组在操作过程中的不当之处从所得图线分析该实验小组在操作过程中的不当之处_。(3)如果实验时，在小车和重物之间接一不计质量的微型力传如果实验时，在小车和重物之间接一不计质量的微型力传感器来测量拉力感器来测量拉力F，实验装置如图，实验装置如图b所示，从理论上分析，该所示，从理论上分析，该实验图线的斜率将实验图线的斜率将_。(填填“变大变大”“变小变小”或或“不变不变”)(2)由图象可知，当小车拉力为零时，已经产生了加速度，故在由图象可知，当小车拉力为零时，已经产生了加速度，故在操作过程中轨道的倾角过大，平衡摩擦力过度。操作过程中轨道的倾角过大，平衡摩擦力过度。解析解析(1)根据已知数据，画出小车加速度根据已知数据，画出小车加速度a和拉力和拉力F的关系图的关系图线如图所示。线如图所示。答案答案(1)见解析图见解析图(2)轨道倾角过大轨道倾角过大(或平衡摩擦力过度或平衡摩擦力过度)(3)变大变大3.为了探究加速度与力、质量的关系，甲、乙、丙三位同学分别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设计了如图12所示的实验装置，小车总质量用所示的实验装置，小车总质量用M表示表示(乙图中乙图中M包括小车与传感器，丙图中包括小车与传感器，丙图中M包括小车和与小车固连的滑轮包括小车和与小车固连的滑轮)，钩码总质量用钩码总质量用m表示。表示。图图12(1)(1)为便于测量合外力的大小，并得到小车总质量一定时，小为便于测量合外力的大小，并得到小车总质量一定时，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()A.三组实验中只有甲需要平衡摩擦力三组实验中只有甲需要平衡摩擦力B.三组实验都需要平衡摩擦力三组实验都需要平衡摩擦力C.三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车远小于小车的总质量的总质量M的条件的条件D.三组实验都需要满足所挂钩码的总质量三组实验都需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的总质远小于小车的总质量量M的条件的条件(2)图丁是用图甲装置中打点计时器所打的纸带的一部分，图丁是用图甲装置中打点计时器所打的纸带的一部分，O、A、B、C、D和和E为纸带上六个计数点，加速度大小用为纸带上六个计数点，加速度大小用a表示。表示。则则OD间的距离为间的距离为_cm。图戊是根据实验数据绘出的。图戊是根据实验数据绘出的st2图线图线(s为各计数点至同一起点的距离为各计数点至同一起点的距离)，则加速度大小，则加速度大小a_m/s2(保留保留3位有效数字位有效数字)。(3)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和弹簧测力计若乙、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读数相同，通过计算得到小车加速度均为a，g为当地重力加为当地重力加速度，则乙、丙两位同学实验时所用小车总质量之比为速度，则乙、丙两位同学实验时所用小车总质量之比为_。(3)由于图乙、丙中力传感器示数与弹簧测力计示数相同，则由于图乙、丙中力传感器示数与弹簧测力计示数相同，则丙中小车拉力是乙中的丙中小车拉力是乙中的2倍，而小车加速度相同，由此可知乙、倍，而小车加速度相同，由此可知乙、丙两位同学所用小车质量比为丙两位同学所用小车质量比为12。答案答案(1)BC(2)1.200.934(0.9320.935均可均可)(3)1 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