验证牛顿第二定律(实验)

实验四验证牛顿第二定律1.学会用控制变量法研究物理规律.2.验证牛顿第二定律.3.掌握利用图象处理数据的方法.二、实验原理一、实验目的1、利用砂及砂桶通过细线牵引小车做加速运动的方法，采用控制变量法研究加速度与力和质量的关系。如图所示，通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，当M和m做加速运动时，可以得到：mgaMmMFmgMm当M﹥﹥m时，可近似认为小车所受的拉力T等于mg。2、控制变量法：（1）保持小车的质量M不变，改变m（即拉力）的大小，测出相应的a，探究a与F的关系；（2）保持m（即拉力）不变，改变M的大小，测出小车运动的加速度a，探究a与M的关系．2、控制变量法：三．实验器材四、实验步骤(如图所示)1.用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。2.把一端附有定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。打点计时器，纸带及复写纸，小车，一端附有滑轮的长木板，小盘，细绳，夹子，低压交流电源，导线，天平，刻度尺，砝码。三．实验器材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稍微垫高一些,使小车在不挂小盘和砝码的情况下,能沿木板做匀速直线运动.这样小车所受重力沿木板的分力与小车所受摩擦力平衡.在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下,可以近似认为小盘和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，挂上小盘和砝码,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。计算小盘和砝码的重力，即为小车所受的合外力，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。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,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带.计算砝码和小车的总质量M,并由纸带计算出小车对应的加速度。7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并将所对应的质量和加速度填入表(二)中.表(一)实验次数加速度a/(m·s-2)小车受力F/N1234表(二)实验次数加速度a/(m·s-2)小车和砝码的总质量M/kg123五、数据处理1.需要计算各种情况下所对应的小车加速度,可使用“研究匀变速直线运动”的方法:先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据公式a= 计算加速度.2.需要记录各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,然后建立直角坐标系,用纵坐标表示加速度a,横坐标表示作用力F,描点画a F图象,如果图象是一条过原点的直线,便证明加速度与作用力成正比.再记录各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M,然后建立直角坐标系,用纵坐标表示加速度a,横坐标表示总质量的倒数 ,描点画a  图象,如果图象是一条过原点的直线,就证明了加速度与质量成反比.2xT1M1M六、注意事项六、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,不要把悬挂小盘的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着纸带运动.2.整个实验平衡了摩擦力后,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.3.每条纸带必须在满足小车的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出.只有如此,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力.4.改变拉力和小车与砝码质量后,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,要使尽可能多的点在所作直线上,不在直线上的点应尽可能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.各量须采用国际单位.这样作图线时,坐标点间距不至于过密或过疏,误差会小些.7.为提高测量精度(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)可以把每打五次点的时间作为时间单位,即从开始点起,每五个点标出一个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为T=0.1s.例题讲解例1图15－1是某同学做验证牛顿第二定律的实验时正要打开电源进行实验的情况．指该同学的几个错误．例1(1)未平衡摩擦力；(2)应使用低压交流电源；(3)拉小车的细线应与木板平行；(4)小车应靠近打点计时器；(5)打点计时器应置于木板右端[点评]本实验中，平衡摩擦力是重要的一步，如果没有平衡摩擦力，小车的加速度就不能与拉力F成正比，导致实验失败．使用直流电源则无法让打点计时器正常工作．每次实验时，小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源．【例2】在探索a与F、m关系的实验中备有下列器材：A．打点计时器；B．天平；C．秒表；D．低压交流电源；E．电池；F．纸带；G．细绳、砝码、小车、砂和桶。其中多余的器材是_______________．缺少的器材是________________________．CE附有定滑轮的长木板、刻度尺（双选）在验证牛顿第二定律的实验中，以下说法正确的是()A.平衡摩擦力时，重物应用细线通过定滑轮系在小车上B.实验中始终保持小车和砝码的质量远远大于重物的质量C.实验中如果用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车内砝码的总质量，描出相应的点在一条直线上时，即可证明加速度与质量成反比D.平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过程中纸带也要受到阻力BD变式题BD[解析]平衡摩擦力时，纸带必须连好，细线则不能系在小车上，故A错，D对；小车和砝码的总质量应远大于重物的质量，故B对；若横坐标表示小车和车内砝码的总质量，则a－M图是双曲线，不是直线，故C错．“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图15－4甲所示．(1)在小车某次运动过程中，打出了一条纸带如图15－4乙所示．计时器打点的时间间隔为0.02s，从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，并量出了相邻计数点之间的距离．该小车的加速度a＝________m/s2.(结果保留三位有效数字)1.66或1.65(2)一组同学先保持盘及盘中的砝码质量m一定，探究加速度与小车(包括车中砝码)质量M的关系，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上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，再接通打点计时器电源D.小车运动的加速度可根据m以及M，直接用公式a＝mgM求出B(3)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，二位同学根据各自的实验数据分别作出的a—F图线如图15－5甲、乙所示，对这两图的分析正确的是()A.甲图图线不通过原点，可能是因为计算F时未计入砝码盘的重力B.甲图图线不通过原点，可能是因为没有平衡摩擦力C.乙图图线的弯曲部分，是因为小车的质量太大D.乙图图线的弯曲部分，是因为盘中的砝码总质量太大AD