验证牛顿第二定律实验导学案

友好三中2014高考一轮复习物理导学案必修1第三章牛顿运动定律13.5验证牛顿第二定律主备人：贾宝善备课时间：13.05.22授课时间：13.05.备课组长；实验目的：1、学会用控制变量法验证牛顿第二定律2、掌握利用图像处理实验数据的方法实验器材：小车，砝码，小桶，砂，细线，附有定滑轮的长木板，垫块，，，导线两根，纸带，托盘天平及砝码，米尺。一、实验原理1．如图3-3-1所示装置，保持小车质量M不变，改变小桶内砂的质量m，从而改变细线对小车的牵引力F(当mM时，F=mg近似成立)，测出小车的对应加速度a，由多组a、F数据作出加速度和力的关系a-F图线，验证加速度是否与外力成正比.2．保持小桶和砂的质量不变，在小车上加减砝码，改变小车的质量M，测出小车的对应加速度a，由多组a、M数据作出加速度和质量倒数的关系a-M-1图线，验证加速度是否与质量成反比.二、实验步骤1．用调整好的天平测出小车和小桶的质量M和m，把数据记录下来.2．按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂小桶用的细线系在小车上，即不给小车加牵引力.3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，反复移动垫块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）.4．在小车上加放砝码，小桶里放入适量的砂，把砝码和砂的质量M'和m'记录下来.把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，取下纸带，在纸带上写上编号.5．保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤4再做5次实验.6．算出每条纸带对应的加速度的值.7．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，即砂和桶的总重力(m+m')g，根据实验结果在坐标平面上描出相应的点，作图线.若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象质量不变时其加速度与它所受作用力成正比.8．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，并做好记录，求出相应的加速度，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和车内砝码总质量的倒数MM1，在坐标平面上根据实验结果描出相应的点并作图线，若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象所受作用力不变时其加速度与它的质量成反比.二、实验中的注意事项1．砂和小桶的总质量要远远小于小车和砝码的总质量.在实验中一定要使重物的质量远小于小车和砝码的质量，目的是减小本实验原理导致的系统误差.在小车加速运动时，重物不可能是平衡的（如图3-3-2所示），它具有与小车同样大小的加速度.设车与重物的加速度大小均为a，绳对车和重物的拉力大小为T.对重物有m重物-T=m重物a对车有T=M车+砝码a友好三中2014高考一轮复习物理导学案必修1第三章牛顿运动定律2所以T=gMmMm砝码车重物砝码车重物因此，在探究加速度与合外力的关系时，若在实验中把所挂重物的重力当成作用于小车上的合外力，会作出如图6-2-18所示的a-F图象，从图中可以看出，F较大（所挂重物质量较大）时，a与F不成正比.只有重物质量远小于车和砝码的总质量时，有1砝码车重物砝码车MmM，此时有T≈m重物g，可以近似地认为细绳对小车的牵引力等于重物的重力.2．在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，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．作图时应该使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能对称地分布在直线的两侧，但如遇个别特别偏离的点可舍去.三、实验中的误差分析1、质量的测量误差，纸带上打点计时器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（实际上受到的拉力要小于重物的重力），存在系统误差.重物的质量越接近小车的质量，误差越大，反之，重物的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.达标检测：1、为了更直观地反映物体的加速度a与物体质量m的关系，往往用二者的关系图象表示出来，该关系图象应选用（）A．a-m图象B．m-a图象C．ma1图象D．am1图象2、在本实验中，下列说法正确的是（）A、平衡摩擦力时，小桶应用细线通过定滑轮系在小车上，但小桶内不能装沙B、实验中无需始终保持小车和砝码的质量远远大于沙和小桶的质量C、实验中如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3、在“探究加速度与作用力的关系”的实验中，有位同学按照图3-3-6的装置（将长木板平放在水平桌面上）做五次实验.他在做第一次实验时，钩码总质量为m，小车质量M=30m，以后每次增加一个钩码，这五次实验中，若用钩码的总重力表示绳子的拉力F，则第次实验的误差较大；按这五组数据画出的a-F图像是图3-3-7中的图；该图象存在截距的原因是；图线斜率的物理含义是.友好三中2014高考一轮复习物理导学案必修1第三章牛顿运动定律34、在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时,采用如图3-3-8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，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计数器打上的点计算出：(1)当M与m的大小关系满足时才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力.(2)一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定，探究做加速度与质量的关系，以下做法错误的是：()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用天平测出m以及小车质量M，直接用公式a＝mｇ/Ｍ求出.（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，由于平衡摩擦力时操作不当，二位同学得到的a―Ｆ关系分别如图3-3-9中的甲、乙所示（a是小车的加速度，Ｆ是细线作用于小车的拉力）.其原因分别是：甲图：乙图：5.“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.（1）在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸袋如图乙所示。计时器大点的时间间隔为0.02s.从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速甲乙图3-3-11友好三中2014高考一轮复习物理导学案必修1第三章牛顿运动定律4度a=______m/s2.（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上.挂上砝码盘，然后每次从小车上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：砝码盘中砝码总重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980加速度a（m·s-2）0.691.181.662.182.70请根据实验数据作出a-F的关系图像.（3）根据提供的试验数据作出的a-F图线不通过原点，请说明主要原因。6.某同学为了探究物体在斜面上的运动时摩擦力与斜面倾角的关系，设计实验装置如图。长直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物块上。在平板上标出A、B两点，B点处放置一光电门，用光电计时器记录滑块通过光电门时挡光的时间。实验步骤如下：①用游标卡尺测量滑块的挡光长度d，用天平测量滑块的质量m；②用直尺测量AB之间的距离s，A点到水平桌面的垂直距离h1，B点到水平桌面的垂直距离h2；③将滑块从A点静止释放，由光电计时器读出滑块的挡光时间t1④重复步骤③数次，并求挡光时间的平均值；⑤利用所测数据求出摩擦力f和斜面倾角的余弦值cos；⑥多次改变斜面的倾角，重复实验步骤②③④⑤，做出f-cos关系曲线。（1）用测量的物理量完成下列各式（重力加速度为g）：①斜面倾角的余弦cos=；②滑块通过光电门时的速度v=；③滑块运动时的加速度a=；④滑块运动时所受到的摩擦阻力f=；（2）测量滑块挡光长度的游标卡尺读数如图所示，读得d=。7．如图为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度和力的关系”的实验装置。（1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持___________不变，用钩码所受的重力作为___________，用DIS测小车的加速度。（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量。在某次实验中根据测得的多组数据可画出a-F关系图线（如图所示）。①分析此图线的OA段可得出的实验结论是________________。②此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（）（A）小车与轨道之间存在摩擦（B）导轨保持了水平状态（C）所挂钩码的总质量太大（D）所用小车的质量太大图3-3-12图3-3-13图3-3-14a/ms－2BAOF/N图3-3-15