实验4: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、探究加速度与力、质量的关系。 ３、掌握灵活运用图象处理问题的方法。 二、实验原理
控制变量法:在所研究的问题中,有两个以上的参量在发生牵连变化时,能够控制某个或某些量不变,只研究其中两个量之间的变化关系的方法,这也是物理学中研究问题时经常采纳的方法、
本实验中,研究的参量为F、ｍ与a,能够控制参量m一定,研究a与F的关系,也可控制参量Ｆ一定,研究a与ｍ的关系、
三、实验器材
电磁打点计时器、复写纸片与纸带、一端有定滑轮的长木板、小车、小盘、低压交流电源、天平、砝码、刻度尺、导线。
四、实验步骤
1、用天平测量小盘的质量m0与小车的质量M０、
2、把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端,连接好电路。
3、平衡摩擦力:小车的尾部挂上纸带,纸带穿过打点计时器的限位孔,将木板无滑轮的一端略微垫高一些,使小车在不挂小盘与砝码的情况下,能沿木板做匀速直线运动。如此小车所受重力沿木板的分力与小车所受摩擦力平衡。在保证小盘与砝码的质量远小于小车质量的条件下,能够近似认为小盘与砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小。
4。把小车停在打点计时器处,挂上小盘与砝码,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。
５、改变小盘内砝码的个数,重复步骤4,并多做几次。
6、保持小盘内的砝码个数不变,在小车内放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带、
7、改变小车内砝码的个数,重复步骤６、
五、实验数据的处理方法——图象法、化曲为直的方法 1、探究加速度与力的关系
以加速度ａ为纵坐标,以F为横坐标,依照测量的数据描点,然后作出图象,看图象是否是通过原点的直线,就能判断a与F是否成正比、
２。探究加速度与质量的关系
以ａ为纵坐标、m为横坐标,依照各组数据在坐标系中描点,将会得到如图甲所示的一条曲线、由图线只能看出m增大时a减小,但ａ与m具体是什么关系,不能得出。若以ａ为纵坐标、为横坐标,将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线,据此可判断a与m成反比。
3、方法总结
利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法、在实
1
验中假如发现一个量x与另一个量y成反比,那么,x就应与成正比。因为在处理数据时,
y
判断正比例函数图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单与直观得多,因此能够将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理。
六、注意事项
１。一定要做好平衡摩擦力的工作,也就是调出一个合适的斜面,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬挂重物的细线系在小车内,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。实验步骤2、3不需要重复,即整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变重物质量,依然改变小车与砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力。
3、每条纸带必须在满足小车与车内所加砝码的总质量远大于重物质量的条件下打出。只有如此,重物重力才可视为小车受到的拉力。
4、改变拉力与小车质量后,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前按住小车。
5、作图象时,要使尽估计多的点在所作直线上,不在直线上的点应尽估计对称分布在所作直线两侧。
６、作图时两轴标度比例要选择适当。各量须采纳国际单位、如此作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。
7、为提高测量精度,能够采取下列措施:
(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点,在后边便于测量的地方找一个起点。
(２)能够把每打五次点的时间作为时间单位,即从开始点起,每隔四个点标出一个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为T=0。1秒、
七、误差分析
１。质量的测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差,拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差、
２、因实验原理不完善造成误差:本实验中用重物的重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于重物的重力),存在系统误差。重物质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,重物质量越小于小车的质量,误差就越小、
3、平衡摩擦力不准造成误差:在平衡摩擦力时,除了不挂重物外,其她的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等。
八、实验改进
本实验中能够用气垫导轨来代替长木板,如此就省去了平衡小车摩擦力的麻烦,小车的加速度也能够利用传感器,借助于计算机来处理。
命题研究一、实验器材、原理目的的考查
【题例1】在“探究加速度与力、质量的关系”实验时,已提供了小车、一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线。为了完成实验,还须从下图中选取实验器材,其名称是__①_＿,并分不写出所选器材的作用__②__。
解题要点:
命题研究二、实验数据处理及误差分析 【题例2】(２019·安徽理综)图1为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图、砂与砂桶的总质量为m,小车与砝码的总质量为M、实验中用砂与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( )
Ａ、将长木板水平放置,让小车连着差不多穿过打点计时器的纸带,给打点计时器通电,调节m的大小,使小车在砂与砂桶的牵引下运动,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,让小车连着差不多穿过打点计时器的纸带,撤去砂与砂桶,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,撤去纸带以及砂与砂桶,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与M的选取,以下最合理的一组是( )
A。Ｍ=2０0 ｇ,ｍ=１0 ｇ、15 g、20 g、25 g、３０ g、40 ｇ B、M＝200 g,ｍ=20 ｇ、40 g、6０ ｇ、80 g、10０ g、120 g C、M＝400 ｇ,m=10 g、15 g、２0 g、２５ g、3０ ｇ、40 ｇ
D、M=４０0 g,m=２０ 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不为:sAB=4、2２ cm、sＢＣ=4、65 cm、ｓCＤ＝５、08 ｃm、sDE＝５、4９ cm、ｓＥF＝5、９１ ｃｍ、sFＧ=6。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(结果保留两位有效数字)。
图２
解题要点:
命题研究三、创新实验设计的考查
【题例3】(2019·江西六校联考)某实验小组设计了如图(a)所示的实验装置,通过改变重物的质量,利用计算机可得滑块运动的加速度ａ与所受拉力Ｆ的关系图象。她们在轨道水平与倾斜的两种情况下分不做了实验,得到了两条a—F图线,如图(b)所示、
(ａ) (ｂ)
(１)图线_＿_＿＿__＿是在轨道左侧抬高成为斜面情况下得到的(选填“①”或“②”)、
(２)滑块与位移传感器发射部分的总质量m=____ kg;滑块与轨道间的动摩擦因数μ=___＿_＿__、
解题要点:
1、“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。
甲
乙
(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0、0２ s、从比较清楚的点起,每５个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的
２
距离。该小车的加速度a=_＿____ m/s、(结果保留两位有效数字)
(2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车内。挂上砝码盘,然后每次从小车内取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度、小车的加速度ａ与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表: 砝码盘中砝码0。190、58０、７0、３92 0。9８0 总重力F/N ６ ８ ８4 加速度 0。６9 1、18 1、66 ２、１8 ２。７0 －a/(m·s2) 请依照实验数据在下图中作出a—Ｆ的关系图象、 (3)依照提供的实验数据作出的a—F图线不通过原点。请讲明主要缘故、
2、在探究物体的加速度a与物体所受外力F、物体质量Ｍ间的关系时,采纳如图甲所示的实验装置。小车及车中的砝码质量用Ｍ表示,盘及盘中的砝码质量用m表示、
甲
(1)当M与m的大小关系满足___＿__时,才能够认为绳子对小车的拉力大小等于盘与砝码的重力。
(2)某一组同学先保持盘及盘中的砝码质量m一定来做实验,其具体操作步骤如下,以下做法正确的是__＿_＿_、
A。平衡摩擦力时,应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车内 Ｂ、每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力 C、实验时,先放开小车,再接通打点计时器的电源
ｍg
Ｄ、用天平测出m以及小车质量Ｍ,小车运动的加速度可直截了当用公式a=求出
Ｍ(3)另两组同学保持小车及车中的砝码质量M一定,探究加速度ａ与所受合外力Ｆ的关系,
乙
由于她们操作不当,这两组同学得到的a－F关系图象分不如图乙与图丙所示,其缘故分不是: 丙
图乙:_＿_＿__＿__＿_______＿＿＿＿＿__＿___＿__＿＿__＿___＿___＿_＿_＿__＿___＿___＿____＿_＿__＿_;
图丙:____＿______＿_＿___＿＿___＿＿__＿_＿____＿_＿_____＿____＿_＿____＿_＿___＿＿＿＿__＿____、
３、为了探究受到空气阻力时,物体运动速度随时间的变化规律,某同学采纳了“加速度
高考物理(鲁科版)第一轮复习(梳理整合+探究突破+巩固提升)专题实验4：验证牛顿第二定律(含解析)
