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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,物理,课标版,第5讲试验：验证牛顿第二定律,1/37,基础梳理,试验目标,1.学会用控制变量法研究物理规律。,2.探究加速度与力、质量关系。,3.掌握灵活利用图像处理问题方法。,试验原理,控制变量法:在所研究问题中,有两个以上参量在发生牵连改变时,能够控制某个或一些量不变,只研究其中两个量之间改变关系方,法。这也是物理学中研究问题时经常采取方法。,本试验中,研究参量为,F,、,m,和,a,能够控制参量,m,不变,研究,F,与,a,关系,也可控制参量,F,不变,研究,m,与,a,关系。,2/37,试验器材,打点计时器,纸带及复写纸,小车,一端附有定滑轮长木板,小盘和砝码,细绳,低压交流电源,导线,天平,刻度尺。,试验步骤,如图所表示,3/37,1.用天平测量小盘质量,m,0,和小车质量,M,0,。,2.把一端附有定滑轮长木板放在试验桌上,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一端,连接好电路。,3.平衡摩擦力:小车尾部挂上纸带,纸带穿过打点计时器限位孔,将,木板无滑轮一端稍微垫高一些,使小车在不挂小盘和砝码情况下,能沿木板做匀速直线运动。这么小车所受重力沿木板分力与小车所,受滑动摩擦力平衡。在确保小盘和砝码质量远小于小车质量条,件下,能够近似认为小盘和砝码总重力大小等于小车所受合外力,大小。,4/37,4.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,着纸带在木板上做匀加速运动,打出一条纸带。计算小盘和砝码总重,力,即为小车所受合外力,由纸带计算出小车加速度,并把力和对应,加速度填入表(一)中。,5.改变小盘内砝码个数,重复步骤4,并多做几次。,6.保持小盘内砝码个数不变,在小车上放上砝码改变小车质量,让小,车在木板上滑动打出纸带,计算砝码和小车总质量,M,并由纸带计算,出小车对应加速度。,5/37,表(一),试验次数,加速度,a,/(ms,-2,),小车受力,F,/N,1,2,3,4,7.改变小车上砝码个数,重复步骤6,并将所对应质量和加速度填入,表(二)中。,6/37,表(二),试验次数,加速度,a,/(ms,-2,),小车和砝码总质量,M,/kg,1,2,3,4,7/37,数据处理,1.需要计算各种情况下所对应小车加速度,可使用“研究匀变速直,线运动”方法:先在纸带上标明计数点,测量各计数点间距离,依据,公式,a,=,计算加速度。,2.需要统计各组对应加速度,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,横坐标表示牵引力,F,描点画,a,-,F,图像,假如图,像是一条过原点直线,便证实在质量一定时,加速度与作用力成正,比。再统计各组对应加速度,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,横坐标表示总质量倒数,描点画,a,-,图像,假如图像是一条过原点直线,就证实了在合外力一定时,加速度与质量成反比。,8/37,注意事项,1.在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘细绳系在小车上,即不要给小车加,任何牵引力,并要让小车拖着打点纸带运动。,2.试验步骤2、3不需要重复,即整个试验平衡了摩擦力后,不论以后是改,变小盘和砝码总质量还是改变小车和砝码总质量,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上所加砝码总质量远大于小盘和砝,码总质量条件下打出。只有如此,小盘和砝码总重力才可视为小,车受到拉力。,9/37,4.改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽可能靠近打点计时器,并应,先接通电源,再放开小车,且应在小车抵达滑轮前按住小车。,5.作图像时,要使尽可能多点落在所作直线上,不在直线上点应尽可,能对称分布在所作直线两侧。,6.作图时两轴标度百分比要选择适当,各量须采取国际单位制中单位。这,样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。,7.为提升测量精度,(1)应舍掉纸带上开头比较密集点,在后边便于测量地方找一个起,点。,(2)能够把每打五次点时间作为时间单位,即从开始点起,每五个点标,出一个计数点,而相邻计数点间时间间隔为,T,=0.1 s。,10/37,误差分析,1.质量测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离测量误差,细绳或,纸带不与木板平行等都会造成误差。,2.因试验原理不完善造成误差:本试验中用小盘和砝码总重力代替小,车受到拉力(实际上小车受到拉力要小于小盘和砝码总重力),存,在系统误差。小盘和砝码总质量越靠近小车质量,误差就越大;反,之,小盘和砝码总质量越小于小车质量,误差就越小。,3.平衡摩擦力不准造成误差:在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外,其它,都跟正式试验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动标,志是打点计时器打出纸带上各点距离相等。,11/37,考点一试验原理与操作,典例1,(山东济南模拟,22)某同学利用“验证牛顿第二定律”,试验器材,测量滑块和长木板之间动摩擦因数。如图所表示,带滑轮,长木板水平放置,力传感器固定在墙上,轻绳分别跨过固定在滑块上和,固定在长木板末端滑轮,一端与力传感器连接,另一端竖直悬挂一沙,桶,沙桶距地面足够远。调整两滑轮位置使轻绳与长木板平行,不计,轻绳与各滑轮之间摩擦。,12/37,(1)试验时,一定要进行操作是,(填选项前字母)。,A.将长木板右端垫高以平衡摩擦力,B.使沙和沙桶总质量远小于滑块质量,C.将打点计时器接交流电源,D.用天平测沙和沙桶总质量,(2)试验时,统计力传感器示数,F,用天平测出滑块质量,m,由纸带上点,求出加速度,a,。依据这些数据,能够得出滑块和木板间动摩擦因数表示式,=,。(重力加速度为,g,),13/37,答案,(1)C(2),解析,(1)由装置图可知,绳中张力可经过力传感器测出,滑块所受拉力,等于绳中张力2倍。不需要使沙和沙桶总质量远小于滑块质量,也,不需要测量沙和沙桶总质量,选项B、D错误;因为是测量滑块与长木,板之间动摩擦因数,所以不需要将长木板右端垫高以平衡摩擦力,选,项A错误;不论是电磁打点计时器还是电火花计时器,都需要接交流电,源,选项C正确。(2)对滑块由牛顿第二定律有2,F,-,mg,=,ma,解得,=,。,14/37,某同学利用如图所表示装置探究小车加速度与所受合外力关,系,详细试验步骤以下:,按照图示安装好试验装置,并测出两光电门间距离,L,平衡摩擦力即调整长木板倾角,轻推小车后,使小车沿长木板向下,运动,且经过两个光电门时间相等,取下细绳和沙桶,测量沙子和沙桶总质量,m,并统计,15/37,把小车置于靠近滑轮位置,由静止释放小车,统计小车先后经过光,电门甲和乙时显示时间,并计算出小车抵达两个光电门时速度和运,动加速度,重新挂上细绳和沙桶,改变沙桶中沙子质量,重复步骤,(1)用游标卡尺测得遮光片宽度,d,=,cm。,16/37,(2)关于本试验说法正确是,。,A.平衡摩擦力时要取下细绳和沙桶,B.平衡摩擦力时不需要取下细绳和沙桶,C.沙桶和沙子总质量必须远小于小车质量,D.小车质量必须远小于沙桶和沙子总质量,(3)若试验中测量遮光片宽度时存在测量误差,测量结果偏大,其它条件,不变,则小车加速度测量值,真实值。(选填“大于”或“小,于”),17/37,答案,(1)0.675(2)B(3)大于,解析,(1)遮光片宽度,d,=0.6 cm+15,0.05 mm=0.675 cm。(2)本试验,中,沙桶和沙子总质量所对应重力即为小车做匀变速运动时所受,合外力大小,所以不需要“沙桶和沙子总质量必须远小于小车质,量”试验条件;同时平衡摩擦力时不需要取下细绳和沙桶,选项B正,确,选项A、C、D错误。(3)由加速度和遮光片宽度之间数量关系可,知,在保持其它试验条件不变前提下,加速度大小与遮光片宽度平,方成正比,所以加速度测量值大于真实值。,18/37,考点二数据处理和误差分析,典例2,(课标,23,10分)某物理课外小组利用图(a)中装置探究,物体加速度与其所受合外力之间关系。图中,置于试验台上长木板,水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上小,滑车相连,另一端可悬挂钩码。本试验中可用钩码共有,N,=5个,每个质,量均为0.010 kg。试验步骤以下:,19/37,图(a),(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度小物块,使小车(和钩码)能够在木板上匀速下滑。,20/37,(2)将,n,(依次取,n,=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余,N,-,n,个钩码仍留在,小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器,统计小车在时刻,t,相对于其起始位置位移,s,绘制,s,-,t,图像,经数据处理后,可得到对应加速度,a,。,(3)对应于不一样,n,a,值见下表。,n,=2时,s,-,t,图像如图(b)所表示;由图(b),求出此时小车加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。,n,1,2,3,4,5,a,/ms,-2,0.20,0.58,0.78,1.00,21/37,(4)利用表中数据在图(c)中补齐数据点,并作出,a,-,n,图像。从图像,能够看出:当物体质量一定时,物体加速度与其所受合外力成正,比。,图(b),22/37,图(c),(5)利用,a,-,n,图像求得小车(空载)质量为,kg(保留2位有效数字,重,力加速度取,g,=9.8 ms,-2,)。,(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),以下说法正确是,(填入正确选项前标号)。,A.,a,-,n,图线不再是直线,B.,a,-,n,图线仍是直线,但该直线不过原点,C.,a,-,n,图线仍是直线,但该直线斜率变大,23/37,答案,(3)0.39(2分。在0.370.49范围内都给分),(4)如图所表示(3分),(5)0.45(3分。在0.430.47范围内都给分),(6)BC(2分。选对一个给1分,有选错不给这2分),24/37,a,。,(5)对小车和钩码组成系统应用牛顿第二定律:,nmg,=(,M,+,Nm,),a,则,a,=,=,a,-,n,图像斜率,k,=,从而可解出,M,。,(6)对于已平衡摩擦力情况,对整体应用牛顿第二定律:,nmg,=(,M,+,Nm,),a,则,a,=,n,;对于木板水平情况,对整体应用牛顿第二定律:,nmg,-,M,+(,N,-,n,),m,g,=(,M,+,Nm,),a,整理得:,a,=,n,-,g,比较可见,B、C,均正确。,解析,(3)由,s,=,at,2,得:,a,=,在,s,-,t,图像中找一点坐标,代入公式即可求出,25/37,(河北保定调研,22)某同学为了测定木块与小车之间动摩擦因数,设计了以下试验:,用弹簧测力计测量带凹槽木块重力,记为,F,N1,;,将力传感器,A,固定在水平桌面上,测力端经过轻质水平细绳与木块相,连。另一水平轻质细绳跨过定滑轮,一端连接小车,另一端系沙桶,不停,地迟缓向沙桶里倒入细沙,直到小车运动起来,待传感器示数稳定后,记,录此时数据,F,1,;,26/37,压力,F,N1,F,N2,F,N3,F,N4,F,N5,F,N6,F,N7,F,N8,F,N,/N,1.50,2.00,2.50,3.00,3.50,4.00,4.50,5.00,传感器数据,F,1,F,2,F,3,F,4,F,5,F,6,F,7,F,8,F,/N,0.59,0.83,0.99,1.22,1.42,1.61,1.79,2.01,向凹槽中依次添加重力为0.5 N砝码,改变木块与小车之间压力,F,N,重复操作。数据统计如表:,27/37,试完成:,(1)在试验过程中,是否要求平板小车必须做匀速直线运动?,(填,“是”或“否”)。,(2)为了充分测量数据,该同学将所测得数值按以下方法逐一求差,分,别计算出了三个差值:,f,1,=,F,5,-,F,1,=0.83 N,f,2,=,F,6,-,F,2,=0.78 N,f,3,=,F,7,-,F,3,=0.80,N,请你给出第四个差值:,f,4,=,=,。,(3)依据以上差值,能够求出每增加0.50 N砝码时摩擦力增加,f,。,f,用,f,1,、,f,2,、,f,3,、,f,4,表示式子为:,f,=,代入数扰解得,f,=,N。,(4)木块与平板小车间动摩擦因数,=,。,28/37,(3),0.2(4)0.4,解析,(1)测定木块和平板小车间动摩擦因数,只需木块与小车间相,对滑动,木块与小车间摩擦力就是滑动摩擦力,所以不需要小车匀速,运动。(2),f,4,=,F,8,-,F,4,=0.79 N。(3),f,=,=,=0.2 N。(4)依据,f,=,F,N,又,F,N,=0.5 N,解得,=0.4。,答案,(1)否(2),F,8,-,F,4,0.79 N,29/37,考点三试验改进与试验创新,典例3,(福建质量检测,12)某同学为探究加速度与合外力关系,设计了如图甲所表示试验装置。一端带有定滑轮长木板固定在水平,桌面上,用轻绳绕过定滑轮及轻滑轮将小车与弹簧测力计相连。试验中,改变悬挂钩码个数进行屡次测量,统计弹簧测力计示数,F,并利用纸,带计算出小车对应加速度,a,。,30/37,图甲,(1)试验中钩码质量能够不需要远小于小车质量,其原因是,。,A.小车所受拉力与钩码重力无关,B.小车所受拉力等于钩码重力二分之一,C.小车所受拉力可由弹簧测力计直接测出,31/37,(2)图乙是试验中得到某条纸带一部分。已知打点计时器使用交,流电频率为50 Hz,由纸带数据求出小车加速度,a,=,m/s,2,。,图乙,(3)依据试验数据绘出小车加速度,a,与弹簧测力计示数,F,关系图像,以下图像中最符合本试验实际情况是,。,32/37,答案,(1)C(2)0.75(3)B,解析,(1)小车所受拉力可由弹簧测力计直接测出,所以试验中钩码,质量能够不需要远小于小车质量,选项C正确。(2)由,x,=,aT,2,和逐差法,T,=5,s=0.1 s,可得,a,=,10,-2,m/s,2,=0.75 m/s,2,。(3)因为试验时没,有平衡摩擦力,当拉力到达一定值时,小车才会运动,当小车运动起来后,对小车受力分析,水平方向小车受绳拉力,F,绳,=2,F,滑动摩擦力,F,f,由牛,顿第二定律有:2,F,-,F,f,=,ma,则,a,=,F,-,则知四个图像中符合本试验实际,情况是图像B。,33/37,(课标,22,6分)某同学利用图(a)所表示试验装置及数字化信息系统,取得了小车加速度,a,与钩码质量,m,对应关系图,如图(b)所表示。试验,中小车(含发射器)质量为200 g,试验时选择了不可伸长轻质细绳和,轻定滑轮,小车加速度由位移传感器及与之相连计算机得到,回答,以下问题:,图(a),34/37,图(b),(1)依据该同学结果,小车加速度与钩码质量成,(填“线,性”或“非线性”)关系。,(2)由图(b)可知,a,-,m,图线不经过原点,可能原因是,。,35/37,(3)若利用本试验装置来验证“在小车质量不变情况下,小车加速,度与作用力成正比”结论,并直接以钩码所受重力,mg,作为小车受到,合外力,则试验中应采取改进办法是,。钩码质量应满足条件是,。,答案,(1)非线性,(2)存在摩擦力,(3)调整轨道倾斜度以平衡摩擦力远小于小车质量,36/37,是存在摩擦力。,(3)若将钩码所受重力作为小车所受协力,则应满足三个条件,一是摩擦,力被平衡,二是绳平行于轨道平面,此二者可确保绳对车拉力等于车,所受协力,设绳拉力为,T,由,mg,-,T,=,ma,、,T,=,Ma,有,T,=,g,=,可见,当,m,M,时才有,T,mg,故第三个条件为,m,M,。,解析,(1)将图(b)中各点连线,得到是一条曲线,故,a,与,m,关系是非线,性。,(2)由图(b)可知,当钩码质量不为零时,在一定范围内小车加速度仍为零,即钩码对小车拉力大于某一数值时小车才产生加速度,故可能原因,37/37,
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