高考物理大一轮复习 第三章 第4讲 实验四 验证牛顿运动定律课件

第三章 牛
一、实验目的 1．学会用控制变量法验证牛顿第二定律． 2．掌握利用图象处理实验数据的方法．
二、实验原理
本实验第一部分保持小车的质量M不变，改变小桶的质量
m的大小，测出相应的加速度a，验证a与F的关系；第二部分
保持m不变，改变M的大小，测出小车运动的加速度a，验证a
5．保持小车的质量不变，改变小桶中的砂量，重复步骤 4，每次记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将记录的 数据填写在表内．
6．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测出加速度a. 7．建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力， 在坐标系上描点，画出相应的图线以验证a与F的关系． 8．保持砂及小桶的质量不变，改变小车的质量(在小车上 增减砝码)，重复上述步骤5,6，验证a与M的关系．
五、注意事项 1．平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，但小 车应该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，表示小车受到的阻力跟它的 重力沿斜面向下的分力平衡． 2．不重复平衡摩擦力：平衡了摩擦力后，不管以后是改 变小桶和砂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．
D．实验进行时应先释放小车 再接通电源
图 3－4－3
2．用如图3－4－4甲所示的实验装置来验证牛顿第二定 律，为消除摩擦力的影响，实验前必须平衡摩擦力．
图 3－4－4
(1)某同学平衡摩擦力时是这样操作的：将小车静止地放在 水平长木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图乙所 示，直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止．请问这位同学 的操作是否正确？如果不正确，应当如何改正？
3．实验条件：M≫m.只有如此，小桶和砂的总重力才可视 为小车受到的拉力．
4．一先一后一按：改变拉力或小车质量后，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．
5．作图：作图时两轴标度比例要适当．各量须采用国际 单位，并尽可能多的在所作的直线上，不在直线上的点尽可能 对称分布在直线的两侧，个别误差较大的点应舍去．
2．按图3－4－2所示把实验器材安装好．
图 3－4－2 3．平衡摩擦力：在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一 块薄木板，反复移动其位置，直至不挂小桶的小车刚好在斜面 上保持匀速运动为止．
4．将小桶通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使 小车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带 上标上号码．
图 3－4－5
【答案】(1)该同学的操作不正确，正确的操作应该为轻推 小车，小车能够匀速下滑
(2)C (3)[s3＋s14.0－×1s10＋4 s2]f2 0.60 【解析】(1)平衡摩擦力的要点是把有打点计时器的那一端 适当抬高，给小车一个初速度，小车能匀速下滑，则小车所受 摩擦力和小车的重力沿斜面向下的分力平衡，则可认为小车所 受绳子的拉力等于小车所受的合外力，达到平衡摩擦力的作 用．
图 3－4－6
(1)对该实验，下列说法不正确的是( ) A．在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动 木块的位置，直到小车在砂桶和砂的拉动下带动纸带做匀速直 线运动，以平衡小车运动中受到的摩擦力 B．实验中必须使砂桶和砂的总质量远小于小车的质量 C．细线对小车的真实拉力一定略小于砂桶和砂的总重力 D．该实验是应用“控制变量法”来探究牛顿第二定律
六、数据处理及误差分析 1．因实验原理不完善引起的误差．本实验用小桶和砂的 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 桶和砂的总重力． 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． 3．在验证a与M的关系时，作图时应将横轴用表示，这样 才能使图象更直观．
【跟踪训练】
1．(多选)某同学设计了一个探究小车加速度a与小车所受
拉力F及质量m关系的实验，如图3－4－3所示为实验装置简
图．他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种
做法带来的实验误差，你认为下列说法正确的是( )
A．要平衡摩擦力
B．实验时不需要平衡摩擦力
C．钩码的重力要远小于小车
的总重力
④
由④可知当 M________m 时，可近似认为小车所受的拉力
T＝mg，即小车所受的合外力 F 合＝mg.
若用砂和砂桶的总重力来表示小车所受合外力，要求 M≫
m；若在拉线上安装传感器，无须满足 M 远大于 m.
三、实验器材 打点计时器、纸带及复写纸、小车、一端附有滑轮的长木 板、小桶、细绳、砂、低压交流电源、天平、刻度尺、砝码 等． 四、实验步骤及器材调整 1．用天平分别测出小车和小桶的质量M和m，把数值记录 下来．
答：_______________________.
(2)如果这位同学先如(1)中的操作，然后不断改变对小车 的拉力F，他得到M(小车质量)保持不变情况下的a－F图线是 下图中的________(将选项代号的字母填在横线上)．
A
B
C
D
(3)打点计时器使用的交流电频率f＝50 Hz.如图3－4－5 所 示是某同学在正确操作下获得的一条纸带，A、B、C、D、E 每2点之间还有4个点没有标出．写出用s1、s2、s3、s4以及f来表 示小车加速度的计算式：a＝_____________________.根据纸带 所提供的数据，算得小车的加速度大小为________m/s2(结果保 留两位有效数字)．
(2)该同学做实验时实际上是平衡摩擦力过度，故没有拉力 F 之前已经有加速度，故选项 C 正确．
(3)采用逐差法得计算加速度的表达式 a＝[s3＋s14.0－×1s10＋4 s2]f2，代入数据，解得 a＝0.60 m/s2.
对实验原理、步骤及器材调整的考查 利用如图3－4－6所示的实验装
置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有 砂．砂桶的总质量(包括桶以及桶内砂的质量)记为m，小车的 总质量(包括车、盒子及盒内砂的质量)记为M.
与M的关系．利用砂及砂桶通过细线牵引小车做加速运动，采
用____________法研究上述两组关系．如图3－4－1所示，通
过适当的调节，使小车所受的阻力被平衡，使得小车M和小桶
m都做加速运动．
对小桶：mg－T＝ma， ①
对小车：T＝Ma，
②
图 3－4－1
联立①②，知
a＝M＋m mg，
③
T＝MM＋mmg ＝Mm＋Mgm＝1＋mgMm.