實驗四　　驗證牛頓第二定律一、基本實驗要求1．實驗原理（見實驗原理圖）（1）保持質量不變，驗證加速度跟合外力的關系．（2）保持合外力不變，驗證加速度與質量的關系．（3）作出a－F圖象和a－圖象，確定其關系．2．實驗器材小車、砝碼、小盤、細繩、附有定滑輪的長木板、墊木、電磁打點計時器、低壓交流電源、導線兩根、紙帶、天平、刻度尺．3．實驗步驟（1）測量：用天平測量小盤和砝碼的質量m′和小車的質量m．（2）安裝：按照如實驗原理圖所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上（即不給小車牽引力）．（3）平衡摩擦力：在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車能勻速下滑．（4）操作：①小盤通過細繩繞過定滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，取下紙帶編號碼． ②保持小車的質量m不變，改變砝碼和小盤的質量m′，重復步驟①．③在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測加速度a．④描點作圖，作a－F的圖象．⑤保持砝碼和小盤的質量m′不變，改變小車質量m，重復步驟①和③，作a－圖象．二、規(guī)律方法總結1．注意事項（1）平衡摩擦力：適當墊高木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力．在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細繩系在小車上，讓小車拉著穿過打點計時器的紙帶勻速運動．（2）不重復平衡摩擦力．（3）實驗條件：m?m′.（4）一先一后一按：改變拉力和小車質量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，后釋放小車，且應在小車到達滑輪前按住小車．2．誤差分析（1）因實驗原理不完善引起的誤差：本實驗用小盤和砝碼的總重力m′g代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力．（2）摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數點間距測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差．3．數據處理（1）利用Δx＝aT2及逐差法求a.（2）以a為縱坐標，F為橫坐標，根據各組數據描點，如果這些點在一條過原點的直線上，說明a與F成正比．（3）以a為縱坐標，為橫坐標，描點、連線，如果該線為過原點的直線，就能判定a與m成反比． 考點一　實驗原理與實驗操作例1、在“驗證牛頓運動定律”的實驗中，采用如圖所示的實驗裝置．小車及車中砝碼的質量用M表示，盤及盤中砝碼的質量用m表示，小車的加速度可由小車后拖動的紙帶打上的點計算出．（1）利用該套實驗裝置可以做力學中的許多實驗．以下說法正確的是（　?。〢．用此裝置“研究勻變速直線運動”時，必須設法消除小車和長木板間的摩擦阻力的影響B(tài)．用此裝置“研究勻變速直線運動”時，應使小盤和盤內砝碼的總質量遠小于小車的質量C．用此裝置“探究加速度a與力F的關系”時，必須設法消除小車和長木板間的摩擦阻力的影響D．用此裝置“探究加速度a與力F的關系”時，應使小盤和盤內砝碼的總質量遠小于小車的質量（2）一組同學在做加速度與質量的關系實驗時，保持盤及盤中砝碼的質量一定，改變小車及車中砝碼的質量，測出相應的加速度，采用圖象法處理數據．為了比較容易地檢查出加速度a與質量M的關系，應該作a與_______的圖象．（3）如圖（a）所示為甲同學根據測量數據作出的a-F圖線，說明實驗存在的問題是_______________________________________．（4）乙、丙同學用同一裝置做實驗，畫出了各自得到的a-F圖線如圖（b）所示，兩個同學做實驗時的哪一個物理量取值不同？_______________________________．例2、某實驗小組利用如圖所示的裝置探究加速度與力、質量的關系． （1）下列做法正確的是________．（填字母代號）A．調節(jié)滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木板保持平行B．在調節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上C．實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源D．通過增減木塊上的砝碼改變質量時，不需要重新調節(jié)木板傾斜度（2）為使砝碼桶及桶內砝碼的總重力在數值上近似等于木塊運動時受到的拉力，應滿足的條件是砝碼桶及桶內砝碼的總質量________木塊和木塊上砝碼的總質量．（選填“遠大于”“遠小于”或“近似等于”）（3）甲、乙兩同學在同一實驗室，各取一套如圖所示的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關系，分別得到圖中甲、乙兩條直線．設甲、乙用的木塊質量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動摩擦因數分別為μ甲、μ乙，由圖可知，m甲____m乙，μ甲____μ乙．（選填“大于”、“小于”或“等于”）考點二　數據處理與誤差分析例3、用如圖所示裝置做“探究物體的加速度跟力的關系”的實驗．實驗時保持小車的質量不變，用鉤碼所受的重力作為小車受到的合力，用打點計時器和小車后端拖動的紙帶測出小車運動的加速度．（1）實驗時先不掛鉤碼，反復調整墊塊的左右位置，直到小車做勻速直線運動，這樣做的目的是________________________________________________________________________． （2）圖為實驗中打出的一條紙帶的一部分，從比較清晰的點跡起，在紙帶上標出了連續(xù)的5個計數點A、B、C、D、E，相鄰兩個計數點之間都有4個點跡沒有標出，測出各計數點到A點之間的距離，如圖所示．已知打點計時器接在頻率為50Hz的交流電源兩端，則此次實驗中小車運動的加速度的測量值a＝________m/s2．（結果保留兩位有效數字）（3）實驗時改變所掛鉤碼的質量，分別測量小車在不同外力作用下的加速度．根據測得的多組數據畫出a－F關系圖象，如圖所示．此圖象的AB段明顯偏離直線，造成此現象的主要原因可能是______．（選填下列選項的序號）A．小車與平面軌道之間存在摩擦B．平面軌道傾斜角度過大C．所掛鉤碼的總質量過大D．所用小車的質量過大例4、用下圖所示的實驗裝置來驗證牛頓第二定律。（1）為消除摩擦力的影響，實驗前平衡摩擦力的具體操作為：取下________________，把木板不帶滑輪的一端適當墊高并反復調節(jié)，直到輕推小車后，小車能沿木板做________________運動。（2）某次實驗測得的數據如下表所示，根據這些數據在坐標圖中描點并作出圖線，從圖線求得合外力大小為________N（計算結果保留兩位有效數字）。 4.01.23.61.12.00.61.40.41.00.3考點三　實驗拓展與創(chuàng)新1．從測量加速度a的角度變式（如圖所示）（1）此實驗裝置需要平衡摩擦力嗎？氣墊導軌需要調到水平嗎？（2）此實驗裝置需要滿足滑塊質量遠遠大于砂和砂桶的質量嗎？2．從測量合外力F的角度變式（如圖所示）（1）此實驗裝置需要平衡摩擦力嗎？（2）此實驗裝置需要滿足小車質量遠遠大于砂和砂桶的質量嗎？例5、為了探究加速度與力的關系，使用如圖所示的氣墊導軌裝置進行實驗．其中G1、G2為兩個光電門，它們與數字計時器相連，當滑行器通過G1、G2光電門時，光束被遮擋的時間Δt1、Δt2都可以被測量并記錄，滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質量為M，擋光片寬度為D ，光電門間距離為x，牽引砝碼的質量為m?；卮鹣铝袉栴}：（1）實驗開始應先調節(jié)氣墊導軌下面的螺釘，使氣墊導軌水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調節(jié)是否到位？答：。（2）若取M＝0.4kg，改變m的值，進行多次實驗，以下m的取值不合適的一個是__________．A．m1＝5g　　　B．m2＝15gC．m3＝40gD．m4＝400g（3）在此實驗中，需要測得每一個牽引力對應的加速度，求得的加速度的表達式為____________________________．（用Δt1、Δt2、D、x表示）例6、某實驗小組在“探究加速度與物體受力的關系”實驗中，設計出如下的實驗方案，其實驗裝置如圖所示．已知小車質量M＝214.6g，砝碼盤質量m0＝7.8g，所使用的打點計時器交流電頻率f＝50Hz．其實驗步驟是：A．按圖中所示安裝好實驗裝置； B．調節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下做勻速直線運動；C．取下細繩和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質量m；D．將小車置于打點計時器旁，先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a；E．重新掛上細繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質量，重復B—D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度．回答下列問題：（1）按上述方案做實驗，是否要求砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車的質量？________（填“是”或“否”）．（2）某同學將有關測量數據填入他所設計的表格中，如下表，次數12345砝碼盤中砝碼的重力F/N0.100.200.290.390.49小車的加速度a/（m·s－2）0.881.441.842.382.89他根據表中的數據畫出a－F圖象（如圖所示）．造成圖線不過坐標原點的一條最主要原因是____________________________，從該圖線延長線與橫軸的交點可求出的物理量是______________，其大小為__________．例7、某同學用如圖所示的實驗裝置測量物塊與斜面之間的動摩擦因數．已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz，物塊下滑過程中所得到的紙帶的一部分如圖（b）所示，圖中標出了五個連續(xù)點之間的距離． （1）物塊下滑時的加速度a＝________m/s2，打C點時物塊的速度v＝___________m/s；（2）已知重力加速度大小為g，為求出動摩擦因數，還必須測量的物理量是________（填正確答案標號）．A．物塊的質量B．斜面的高度C．斜面的傾角【能力展示】【小試牛刀】1．利用力傳感器研究“加速度與合外力的關系”的實驗裝置如圖所示．2．（1）下列關于該實驗的說法，錯誤的是______（選填選項前的字母）A．做實驗之前必須平衡摩擦力B．小車的質量必須比所掛鉤碼的質量大得多C．應調節(jié)定滑輪的高度使細線與木板平行D．實驗開始的時候，小車最好距離打點計時器遠一點 （2）從實驗中挑選一條點跡清晰的紙帶，每5個點取一個計數點，用刻度尺測量計數點間的距離如圖所示，已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz．從圖中所給的刻度尺上讀出A、B兩點間的距離x1=_____cm；該小車的加速度a=____m/s2（計算結果保留兩位有效數字），實驗中紙帶的____（填“左”或“右”）端與小車相連接．2．用圖（a）所示的實驗裝置驗證牛頓第二定律。打點計時器砂桶紙帶小車a0（1）某同學通過實驗得到如圖（b）所示的a—F圖象，造成這一結果的原因是：在平衡摩擦力時。圖中a0表示的是時小車的加速度。（2）某同學得到如圖（c）所示的紙帶。已知打點計時器電源頻率為50Hz．A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個連續(xù)的點。=cm；由此可算出小車的加速度a=m/s2（保留兩位有效數字）。xADxDG 實驗四　　驗證牛頓第二定律答案例1、（1）CD?。?）　（3）沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠?。?）兩小車及車上的砝碼的總質量不同例2、（1）AD?。?）遠小于?。?）小于大于例3、（1）平衡小車運動中所受的摩擦阻力?。?）1.0?。?）C例5、（1）接通氣源，將滑塊靜置于氣墊導軌上，輕推滑塊，看其能否做勻速直線運動?。?）D　（3）a＝（－）例6、（1）否?。?）在計算小車所受的合外力時未計入砝碼盤的重力（只要涉及“未考慮砝碼質量的因素”就算正確）　砝碼盤的重力　0.08N例7、（1）3.25　1.79?。?）C【能力展示】1、（1）BD；（2）0.70，0.20，左2、（1）長木板的傾角過大（能答到這個意思即可）；未掛砂桶。（2）1.80；5.0m/s2