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实验四 验证牛顿运动定律,注意事项 1实验方法：控制变量法。 2平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要悬挂小盘，但小车应连着纸带且接通电源。用手给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。 3不重复平衡摩擦力：平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力。,4实验条件：Mm只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。 5一先一后一按住：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，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。 6作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位，这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些。,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力mg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。 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确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。,热点一 实验原理与基本操作 【例1】 图1为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图。砂和砂桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M。实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小。,图1,(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行。接下来还需要进行的一项操作是_(填正确答案标号)。 A将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节m的大小，使小车在砂和砂桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 B将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和砂桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 C将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动,(2)实验中要进行质量m和M的选取，以下最合理的一组是_(填正确答案标号)。 AM200 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g BM200 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g CM400 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g DM400 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g,(3)图2是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出。量出相邻的计数点之间的距离分别为：xAB4.22 cm、xBC4.65 cm、xCD5.08 cm、xDE5.49 cm，xEF5.91 cm，xFG6.34 cm。已知打点计时器的工作频率为50 Hz，则小车的加速度a_m/s2。(结果保留二位有效数字)。,图2,解析 (1)小车在运动过程中受到重力、支持力、纸带的拉力、木板对小车的摩擦力和细线拉力的作用。为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合力，因此应把木板的一端垫起适当的高度，以使重力、支持力、纸带的拉力和摩擦力的合力为零，即小车做匀速运动，因此在进行这一操作时，不应挂砂桶，小车应连接纸带，A、C项错误；B项正确。 (2)由于绳子的拉力不易测量，本实验中用砂和砂桶的总重力来代替绳的拉力，而砂桶做加速运动，设加速度大小为a，则FTm(ga)，当砂桶的加速度很小时，FT近似等于mg，因此实验中应控制实验条件，使砂桶的加速度很小。只有当小车的质量远大于砂和砂桶的总质量时，小车和砂桶的加速度才很小，绳的拉力才近似等于砂和砂桶的总重力。C项正确。,答案 (1)B (2)C (3)0.42,【变式训练】 1如图3所示，为某同学安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置，在小车的前端固定一个传感器，和砂桶连接的细线接在传感器上，通过传感器可显示出细线的拉力。在图示状态下开始做实验。,图3,(1)从图上可以看出，该同学在装置和操作中的主要错误是_。 (2)若砂和砂桶的质量为m，小车和传感器的总重量为M，做好此实验_(填“需要”或“不需要”)Mm的条件。 解析 (2)不加传感器时将砂和砂桶的重力作为细线的拉力，而接了传感器后细线的拉力可以直接读出。 答案 (1)未平衡摩擦力；细线与木板不平行；开始实验时，小车离打点计时器太远 (2)不需要,热点二 实验数据处理与误差分析 【例2】 (2014新课标全国卷，22)某同学利用图4(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：,图4,(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 _(填“线性”或“非线性”)关系。 (2)由图(b)可知，am图线不经过原点，可能的原因是_。 (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_， 钩码的质量应满足的条件是_。,解析 (1)把图(b)中的点用平滑线连接后，可以看出，am图线是曲线即非线性。 (2)由图象可知，当拉力一定时，加速度不等0，所以除拉力外小车还受到摩擦力的作用。 (3)改进要求：第一图线不过原点，要平衡摩擦力，所以调整轨道的倾斜度；第二，要使小车受到合外力等于钩码的重力，要求钩码质量不能太大，即远小于小车的质量。 答案 (1)非线性 (2)存在摩擦力 (3)调整轨道倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车质量,【变式训练】 2在探究小车的加速度a与小车质量M和 小车受到的外力F的关系时， (1)探究加速度和力的关系的实验数据 描绘出的aF图象如图5所示，下列 说法正确的是_(填正确答案标号)。 A三条倾斜的直线所对应的小车的质量相等 B三条倾斜的直线所对应的小车的质量不同 C直线1所对应的小车的质量最大 D直线3所对应的小车的质量最大,图5,(2)由于没有始终满足小车的质量M远大于钩码的质量m的关系，结果得到的图象应是下图中的_(填正确答案标号)。,答案 (1)BD (2)D,视角2 数据处理方法的改进 小车的加速度可以利用传感器，借助于计算机来处理 视角3 实验方案的改进 (1)用气垫导轨和两个光电门来完成此实验 (2)实验方法的改进 视角4 以本实验为背景，结合牛顿第二定律，测量两接触面间的动摩擦因数,【例3】 某同学用图6所示的装置来验证加速度和质量成反比。在自制的双层架子上固定平板玻璃，架子放在水平桌面上。连接小车的细绳跨过定滑轮与小桶相连。实验步骤如下：,图6,在两个小桶中装入适量细沙，并使两桶质量(含沙子)相同； 两车紧靠架子左边的挡板，在乙车上放一个砝码，同时释放两车，当车运动一段时间后，用手机对整个装置进行拍照。在照片上，通过装置上的刻度尺，测出甲、乙两车运动的距离x1、x2； 在乙车上逐渐增加砝码个数，重复步骤。,答案 (1)反比 (2)平衡摩擦力 乙 (3)甲车,【变式训练】 3如图7甲所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫导轨上安装了一个光电门B，在滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连(力传感器可测得细线上的拉力大小)，力传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放。,(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则 d_mm。,图7,(2)下列不必要的一项实验要求是_(填正确答案标号)。 A应使A位置与光电门间的距离适当大些 B应将气垫导轨调节水平 C应使细线与气垫导轨平行 D应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量 (3)实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是_。,解析 (1)游标卡尺读数等于固定刻度读数加上可动刻度读数，由图知第5条刻度线与主尺对齐，d2 mm50.05 mm2.25 mm；(2)应使A位置与光电门间的距离适当大些，有利于减小误差，选项A正确；应将气垫导轨调节水平，且保持拉线方向与木板平面平行，此时拉力等于合力，选项B、C正确；拉力是直接通过传感器测量的，故与小车质量和钩码质量大小无关，选项D错误。(3)实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光电门的平均速度。根据运动学公式可知，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是滑块在A位置时遮光条到光电门的距离L。,答案 (1)2.25 (2)D (3)滑块在A位置时遮光条到光电门的距离 (4)D,
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