验证牛顿运动定律.ppt

实验四验证牛顿运动定律,【实验目的】1.学会利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.学会利用图象法处理实验数据的方法。,【实验原理】1.保持质量不变,探究加速度a与合外力F的关系。2.保持合外力不变,探究加速度a与质量M的关系。3.作出a-F图象和a-图象,确定其关系。,【实验器材】打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。,【实验过程】1.称量质量:用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M。2.仪器安装:按照如图所示装置把实验器材安装好,只是不把悬挂小盘的细线系在小车上(即不给小车牵引力)。,3.平衡摩擦力:在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,使小车在斜面上做匀速直线运动。4.操作记录:(1)把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘,小盘里放砝码,先接通电源再放开小车,取纸带,编号码。,(2)保持小车的质量M不变,改变小盘中砝码的重力,重复步骤(1)。由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填入表(一)中。(3)保持小盘和砝码质量m不变,改变小车和砝码的总质量M,重复以上步骤。并将所对应的质量和加速度填入表(二)中。,表(一),表(二),【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.作图象找关系: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图象。如果图象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与小车和小车上砝码总质量M,建立直角坐标系,描点画a-图象,如果图象是一条过原点的倾斜直线,就证明了加速度与质量成反比。,【误差分析】1.偶然误差:(1)摩擦力平衡不准确,故在平衡摩擦力时,不给小车牵引力,使打点计时器打出的纸带点迹间隔均匀。,(2)质量测量以及计数点间距测量不准确,故要采取多次测量取平均值。(3)作图不准确,故在描点作图时,要用坐标纸,使尽量多的点落在直线上,不在直线上的点均匀分布两侧,舍去偶然误差较大的点。,2.系统误差: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代替对小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。故要满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量。,【注意事项】1.平衡摩擦力:平衡摩擦力时,要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。此时,不要把悬挂小盘的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,要让小车拖着纸带运动。,2.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。3.一先一后: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。4.作图:作图时两轴标度比例要适当,各物理量采用国际单位,这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。,热点一对实验原理与注意事项的考查【典例1】如图甲所示,某同学将力传感器固定在小车上,然后把绳的一端固定在传感器拉钩上,用来测量绳对小车的拉力,探究在小车及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系,根据所测数据在坐标系中作出了如图乙所示的a-F图象。世纪金榜导学号42722069,(1)图线不过坐标原点的原因是_。(2)本实验中是否仍需要砂和砂桶的总质量远小于小车和传感器的总质量。(选填“是”或“否”)。(3)由图象求出小车和传感器的总质量为kg。,【解析】(1)a-F图象与横轴交点为(0.1,0),说明施加外力小于0.1N时小车和传感器没有加速度,说明实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足。(2)因传感器可直接测出小车和传感器受到的拉力,因此不需要保证砂和砂桶的质量远小于小车和传感器的总质量。,(3)a-F图象斜率为,由图知图象斜率k=1kg-1,则小车和传感器的总质量为1kg。答案:(1)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(2)否(3)1,【强化训练】为了“探究加速度与力、质量的关系”,现提供如图甲所示实验装置。请思考探究思路并回答下列问题:,(1)为了消除小车与木板之间摩擦力的影响应采取的做法是()A.将木板不带滑轮的一端适当垫高,使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动B.将木板带滑轮的一端适当垫高,使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动,C.使木板不带滑轮的一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动D.使木板不带滑轮的一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车能够静止在木板上,(2)在实验中,得到一条打点的纸带,如图乙所示,已知相邻计数点的时间间隔为T,且间距s1、s2、s3、s4、s5、s6已量出,则小车加速度的表达式为a=。,(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a与所受外力F的关系,他们在木板水平和倾斜两种情况下分别做了实验,得到了两条a-F图线,如图丙所示。图线是在木板倾斜情况下得到的(选填“”或“”);小车及车中的砝码总质量m=kg。,【解析】(1)平衡摩擦力就是让小车在无拉力的作用下做匀速直线运动,让重力沿斜面的分力等于小车受到的摩擦力。所以应将木板不带滑轮的一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动。故C选项正确。,(2)由匀变速运动的规律得:s4-s1=3aT2,s5-s2=3aT2,s6-s3=3aT2,联立得:(s4+s5+s6)-(s1+s2+s3)=9aT2解得:a=,(3)由图线可知,当F=0时,a0。也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度,该同学实验操作中平衡摩擦力过大,即倾角过大,平衡摩擦力时木板的右端垫得过高。所以图线是在木板右侧抬高成为斜面情况下得到的。根据F=ma得a-F图象的斜率k=,由a-F图象得图象斜率k=2kg-1,所以m=0.5kg。,答案:(1)C(2)(3)0.5,【反思归纳】(1)平衡摩擦力要在小车不受拉力的作用下进行,并使小车做匀速直线运动。(2)a-F图象不过坐标原点的原因是平衡摩擦力没有做好,但图线仍是直线。(3)a-F图象的斜率表示小车质量的倒数。,热点二对实验数据的处理与误差分析的考查【典例2】某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。世纪金榜导学号42722070,(1)下列做法正确的是()A.调节滑轮的高度,使牵引木块的细绳与长木板保持平行B.在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时,将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C.实验时,先放开木块再接通打点计时器的电源D.通过增减木块上的砝码改变质量时,不需要重新调节木板倾斜度,(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力,应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)木块和木块上砝码的总质量。,(3)甲、乙两同学在同一实验室,各取一套图示的装置放在水平桌面上,木块上均不放砝码,在没有平衡摩擦力的情况下,研究加速度a与拉力F的关系,分别得到图中甲、乙两条直线,设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙,甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为甲、乙,由图可知,m甲m乙,甲乙。(均选填“大于”“小于”或“等于”),【解析】(1)选A、D。木块下滑时,受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力,要使拉力等于合力,应该使细绳与长木板平行且使重力沿斜面向下的分力mgsin等于摩擦力mgcos,即mgsin=mgcos(其中为木板的倾角),故平衡摩擦力时,不能悬挂砝码桶,A正确,B错误;由平衡摩擦力的公式可知两边的质量m可以消去,故改变木块上的砝码的质量时,木块及其上,砝码的总重力沿斜面向下的分力仍能和总的摩擦力抵消,不需要重新调节木板倾斜度,故D正确;通过纸带求木块加速度,要求打点计时器在纸带上打出足够多的点,这就要求将木块放在靠近打点计时器的位置,并且先接通打点计时器,待打点稳定后再释放木块,故选项C错误。,(2)实验中平衡好摩擦力后,绳的拉力提供木块的合外力,即F=ma;砝码桶及桶内砝码与木块运动的加速度相等,由牛顿第二定律得mg-F=ma,两式联立得mg=(m+m)a,当mm时,m+mm,mgma,即当mm时,砝码桶及桶内砝码的总重力近似等于木块运动时受到的拉力,提供木块的合外力,故应填“远小于”。,(3)实验中如果没有平衡摩擦,对木块进行受力分析,根据牛顿第二定律F-mg=ma,得a=F-g,即a-F图象中,斜率表示质量的倒数,a轴上的截距的绝对值表示g,结合图可得m甲乙。答案:(1)A、D(2)远小于(3)小于大于,【强化训练】1.(2017福州模拟)在“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”活动中,某小组设计了如图甲所示的实验装置。图中上下两层水平轨道表面光滑,两小车前端系上细线,细线跨过滑轮并挂上砝码盘,两小车尾部细线连到控制装置上,实验时通过控制装置使两小车同时开始运动,然后同时停止。,(1)在安装实验装置时,应调整滑轮的高度,使;在实验时,为减小系统误差,应使砝码盘和砝码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“等于”)小车的质量。(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小,能这样比较,是因为。,(3)实验中获得数据如表所示:小车、的质量m均为400g。,在第1次实验中小车从图乙中的A点运动到B点,请将测量结果填到表中空格处。通过分析,可知表中第次实验数据存在明显错误,应舍弃。,【解析】(1)在安装实验装置时,应调整滑轮的高度,使细线与轨道平行(或水平),如果细线不保持水平,那么小车的合力就不等于绳子的拉力,小车的合力就不能正确测量。,设小车的质量为M,砝码盘和砝码的质量为m,根据牛顿第二定律得:对m:mg-F拉=ma对M:F拉=Ma解得:F拉=,当mM时,即当砝码盘和砝码的总重力远小于小车的重力时,绳子的拉力近似等于砝码盘和砝码的总重力。(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小,能这样比较,是因为两小车从静止开始做匀加速直线运动,且两小车的运动时间相等。,(3)从刻度尺读出A点的读数为0.50cm,B点的读数为23.85cm,所以A点到B点的位移为23.35cm。当小车质量一定时,小车的加速度与合力成正比,而两小车从静止开始做匀加速直线运动,且两小车的运动时间相等,所以两小车的位移之比等于加速度之比,所以拉力之比应该近似等于位移之比,从实验数据中发现第3次实验数据存在明显错误,应舍弃。,答案:(1)细线与轨道平行(或水平)远小于(2)两小车从静止开始做匀加速直线运动且运动时间相等(3)23.353,2.某实验小组利用如图甲所示的实验装置来探究当合外力一定时,物体运动的加速度与其质量之间的关系。(1)由图甲中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x=24cm,测得遮光条的宽度d=0.52cm,该实验小组在做实验时,将滑块从图甲所示位置由静止释放,由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间t1,遮光条通过光电门2的时间t2,则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1=,滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2=,则滑块的加速度的表达式a=。(以上表达式均用字母表示),(2)在本次实验中,实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验,得到如表所示的实验数据,通过分析表中数据后,你得出的结论是。,(3)现需通过图象进一步验证你的结论,请利用表格数据,在图乙坐标系中描点作出相应图象。,【解析】(1)由于遮光条的宽度很小,遮光条通过光电门的时间很短,这段时间内的平均速度即为滑块通过光电门的瞬时速度,故v1=,v2=,滑块由光电门1到光电门2做匀加速直线运动,由,(2)在合外力不变的情况下,物体运动的加速度跟物体的质量成反比,当合外力一定时,在误差允许的范围内,物体质量和加速度的乘积近似相等。(3)如图所示,答案:(1)(2)、(3)见解析,热点三实验拓展与创新【典例3】(2015全国卷)某物理小组的同学设计了一个粗测玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验。所用器材有:玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器(圆弧部分的半径为R=0.20 m)。,完成下列填空:世纪金榜导学号42722071(1)将凹形桥模拟器静置于托盘秤上,如图甲所示,托盘秤的示数为1.00 kg。(2)将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时,托盘秤的示数如图乙所示,该示数为kg。,(3)将小车从凹形桥模拟器某一位置释放,小车经过最低点后滑向另一侧,此过程中托盘秤的最大示数为m;多次从同一位置释放小车,记录各次的m值如表所示:,(4)根据以上数据,可求出小车经过凹形桥最低点时对桥的压力为N;小车通过最低点时的速度大小为m/s。(重力加速度大小g取9.80 m/s2,计算结果保留2位有效数字),【创新方向分析】(1)圆弧刻度托盘秤的读数。(2)测量竖直平面圆周运动最低点的速度。(3)受力分析和牛顿第二定律相结合。,【解析】(2)托盘秤的最小标度为0.1 kg,则读数为1.00 kg+4.00.1 kg=1.40 kg;(4)小车经过最低点时对桥的压力为F=7.9 N,在桥的最低点,由牛顿第二定律得F-mg=其中m=1.40 kg-1.00 kg=0.40 kg,再代入其他数据解得v=1.4 m/s。答案:(2)1.40(4)7.91.4,【强化训练】某探究学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”,他们在实验室组装了一套如图所示的装置,水平轨道上安装两个光电门,小车上固定有力传感器和挡光板,细线一端与力传感器连接,另一端跨过定滑轮挂上砝码盘。,实验首先保持轨道水平,通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力,再进行后面的操作,并在实验中获得以下测量数据:小车、力传感器和挡光板的总质量M,平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0,挡光板的宽度d,光电门1和2的中心距离s。,(1)该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量?(选填“需要”或“不需要”)。(2)实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度d,如图所示,d=mm。,(3)某次实验过程:力传感器的读数为F,小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2(小车通过光电门2后,砝码盘才落地),已知重力加速度为g,则该实验要验证的表达式是。,【解析】(1)由于实验装置图中已给出了力传感器,所以不需要满足m0M。(2)d=5mm+0.0510mm=5.50mm。,(3)小车在光电门1处的速度为v1=,在光电门2处的速度为v2=,所以根据=2as,可得:a=由F=Ma可知F=答案:(1)不需要(2)5.50(3)F=,【反思归纳】实验的常见四点创新角度(1)在绳上安装力传感器,可以不必满足mM。(2)用光电计时器或频闪相机代替打点计时器,不仅可以记录时间,还可求出速度大小。,(3)用气垫导轨代替长木板,可以不必平衡摩擦力。(4)高考实验题往往是在教材实验的基础上创设新情境,故要在夯实教材实验的基础上注重迁移创新能力的培养,善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题。,