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1、实验4验证牛顿第二定律实验溯本求源实验热点探究教师备用习题课时巩固训练一、实验目的1.学会用法探究加速度a与力F、质量M的关系.2.掌握利用处理问题的方法.二、实验原理本实验中,探究加速度a与力F、质量M的关系,可以先保持不变,研究a和M的关系,再保持M不变,研究a和F的关系.控制变量实验溯本求源图像F三、实验器材一端有定滑轮的长木板、复写纸片和纸带、小车、小盘、重物、电磁打点计时器、天平、砝码、细绳、薄木板、刻度尺、导线.四、实验步骤1.用天平测出小车的质量M和盘的质量m0,把数值记录下来.2.把实验器材安装好.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
2、不挂盘和重物时小车刚好能在长木板上保持匀速直线运动为止.实验溯本求源低压交流电源4.将盘和重物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.5.保持小车的质量不变,改变盘中重物的质量,重复步骤4,每次记录必须在相应的纸带上做上标记,将记录的数据填写在表格内.6.建立坐标系,用纵坐标表示加速度,横坐标表示力,在坐标系中描点,画出相应的图线,探究a与F的关系.7.保持盘和重物的质量不变,改变小车的质量(在小车上增、减砝码),探究a与M的关系.实验溯本求源五、注意事项1.实验方法:控制变量法.2.平衡摩擦力:在平衡摩擦力时,不要悬挂小盘,
3、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长木板向下的分力平衡.3.不重复平衡摩擦力:平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和重物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.4.实验条件:Mm.只有如此,小盘和重物的总重力才可视为小车受到的拉力.实验溯本求源实验溯本求源本实验用小盘和重物的总重力mg代替小车所受的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和重物的总重力.小盘和重物的总质量越小于小车的质量,由此引起的误差就越小.因此,满足小盘和重物的总质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差.
4、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.实验溯本求源热点一实验原理与实验操作实验热点探究例1在用如图S4-1甲所示的装置做“验证牛顿第二定律”的实验时,保持小车质量一定,验证小车加速度a与合外力F的关系.乙图S4-1 实验热点探究(1)除了电火花计时器、纸带、刻度尺、小车、砝码、拴有细线的砝码盘、附有定滑轮的长木板、垫木、导线及开关外,在下列器材中还必须使用的有(填选项前的字母).A.220 V、50 Hz的交流电源 B.电压可调的直流电源 C.秒表 D.天平(附砝码)(2)实验中,需要平衡小车运动时的摩擦阻力,正确的做法是(填选项前
5、的字母).A.小车放在木板上,把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在不受绳的拉力时沿木板做匀速直线运动实验热点探究B.小车放在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过打点计时器.把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动C.小车放在木板上,挂上砝码盘,砝码盘内不放砝码.把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在砝码盘的作用下沿木板做匀速直线运动D.小车放在木板上,挂上砝码盘,砝码盘内放入本次实验所需的砝码.把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在砝码盘和砝码的作用下沿木板做匀速直线运动实验热点探究(3)实验中打出的一条纸带如图乙所示,其中0、
6、1、2、3、4、5、6为计数点,且相邻计数点之间有4个点未画出.测得的数据为x1=1.40 cm,x2=1.90 cm,x3=2.38 cm则打点计时器打计数点2时,小车的速度v2=m/s.(4)根据(3)中的数据,在如图丙所示的坐标系中标出打点计时器打出计数点2时的坐标点,并描绘出小车运动的v-t图线.(5)根据图丙中的图线,可以得出小车运动的加速度a=(保留两位有效数字)m/s2.(6)某一小组在实验中,根据测得的数据描绘出a-F图像如图丁所示,发现图像既不过原点,末端又发生了弯曲.请你分析出现上述情况的可能原因.实验热点探究实验热点探究变式某实验小组在做“验证牛顿第二定律”实验.(1)在
7、闭合开关之前,甲同学将实验器材组装成图S4-2甲所示的装置.请指出该装置中的错误或不妥之处(只要答出其中的两点即可):;.(2)乙同学将上述装置调整正确后进行实验,在实验中得到如图S4-2乙所示的一条纸带,图中相邻两计数点之间还有四个点没有画出,由图中的数据可计算得小车加速度为m/s2.(保留两位有效数字,电源频率为50 Hz)实验热点探究图S4-2实验热点探究实验热点探究实验热点探究特别提醒1.实验原理本实验利用盘及盘中重物通过细绳牵引小车做加速运动的方法研究加速度a与力F、质量M的关系.实验时采用控制变量法,共分两步研究:第一步,保持小车的质量不变,改变m的大小,测出相应的a,验证a与F的
8、关系;第二步,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与M的关系.实验应测量的物理量有:(1)小车及车上砝码的总质量M:用天平测出.(2)小车受到的拉力F:拉力近似等于盘和重物的总重力mg(盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量,且细绳应与木板平行).实验热点探究实验热点探究(3)改变小车的质量或拉力的大小时,改变量应尽可能大一些,但应满足盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量.盘和重物的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%.(4)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,再放开小车,且应在小车到达滑轮处前按住小车.实验热点探究实
9、验热点探究图S4-4 实验热点探究实验热点探究实验热点探究变式2016全国卷 某物理课外小组利用图S4-5(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下:图S4-5实验热点探究(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的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑.(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
10、平行.释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图像,经数据处理后可得到相应的加速度a.(3)对应于不同的n的a值见下表.n=2时的s-t图像如图(b)所示;由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表.n12345a/(ms-2)0.200.580.781.00实验热点探究(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图像.从图像可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比.(5)利用a-n图像求得小车(空载)的质量为 kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8 m/s2).(6)若以“保持木板水平”来代替步
11、骤(1),下列说法正确的是(填入正确选项前的标号).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,但该直线的斜率变大实验热点探究实验热点探究实验热点探究实验热点探究实验热点探究实验热点探究热点三实验拓展与创新实验热点探究例32017安徽六校测试 为了验证牛顿第二定律中加速度与力的关系,小光同学设计了如图S4-6甲所示的实验装置.水平桌面放置带有加速度传感器的总质量为M的小车,车的两端由轻质细线绕过桌面两端滑轮并在两端各悬挂总质量为m的多个钩码.实验中,小光每次由左侧取下质量为m的钩码并挂至右侧,将小车由静止释放,利用传感器测量小车加速度并逐次记录移动过
12、的钩码质量和相应加速度值.根据多次实验得出的数据,小光同学作出如图乙所示的a-m图像.实验热点探究(1)根据上述设计,以下说法正确的是.A.由于系统存在摩擦,实验中必须先平衡摩擦力,才能继续进行实验B.本实验中虽存在摩擦力影响,但不平衡摩擦也可进行实验C.本实验中必须要求小车质量MmD.本实验中不必要求小车质量Mm(2)利用实验中作出的a-m图像,可以分析出系统摩擦力大小为,加速度a与移动的质量m间存在的关系为.图S4-6 实验热点探究实验热点探究变式要测量两个质量不等的沙袋的质量,由于没有直接的测量工具,某实验小组选用下列器材:定滑轮(质量和摩擦可忽略)、砝码一套(总质量m=0.6 kg)、
13、细线、刻度尺、秒表.他们根据已学过的物理学知识,改变实验条件进行多次测量,选择合适的变量得到线性关系,作出图线并根据图线的斜率和截距求出沙袋的质量.请完成下列步骤.(g取10 m/s2)(1)实验装置如图S4-7所示,设右边沙袋A质量为m1,左边沙袋B的质量为m2.图S4-7 实验热点探究实验热点探究实验热点探究教师备用习题1.某同学设计了一个探究加速度与物体所受合力及质量间关系的实验,图S4-3甲为实验装置图,A为小车,B为打点计时器,C为装有沙的沙桶,D为一端带有定滑轮的长木板.实验中认为细绳对小车的拉力F等于沙和沙桶的总重力,小车运动的加速度a可由打点计时器在纸带上打出的点求得.教师备用
14、习题教师备用习题次数12345678小车加速度a/(ms-2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg-14.003.453.002.52.001.411.000.60(4)保持小车质量不变,改变沙和沙桶质量,该同学根据实验数据作出了加速度与合力F的关系图像如图丁所示,该图线不通过原点,明显超出偶然误差范围,其主要原因是.教师备用习题教师备用习题教师备用习题2.光电计时器是一种研究物体运动情况的常见仪器.当有物体从光电门通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间.现利用如图S4-5甲所
15、示的装置探究物体的加速度与合外力、质量的关系,其中NQ是水平桌面,PQ是一端带有滑轮的长木板,1、2是固定在木板上的两个光电门(与之连接的两个光电计时器没有画出).小车上固定着用于挡光的窄片K,测得其宽度为d,让小车从木板的顶端滑下,光电门各自连接的计时器显示窄片K的挡光时间分别为t1和t2.教师备用习题(1)该实验中,在改变小车的质量M或重物的质量m时,保持Mm,这样做的目的是;(2)为了计算出小车的加速度,除了测量d、t1和t2之外,还需要测量,若上述测量量用x表示,则用这些物理量计算加速度的表达式为a=;(3)某位同学经过测量、计算得到如下表所示数据,请在图乙中作出小车加速度与所受合外力
16、的关系图像.教师备用习题(4)由图像可以看出,该实验存在着较大的误差,产生误差的主要原因是:.组别1234567M/kg0.580.580.580.580.580.580.58F/N0.100.150.200.250.300.350.40a/(ms-2)0.130.180.260.340.430.510.60教师备用习题教师备用习题课时巩固训练1.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,某同学利用如图S4-8甲所示的实验装置,将一端带滑轮的长木板固定在水平桌面上,小车置于长木板上,并用细绳跨过定滑轮与托盘相连,小车右端连一条纸带,通过打点计时器记录其运动情况.开始时,托盘中放少许砝码,释放小车
17、,通过纸带记录的数据,得到图乙中图线a.然后在托盘上添加一个质量为m=0.05 kg的砝码,再进行实验,得到图线b.已知小车与长木板间存在摩擦,在小车运动过程中,绳中的拉力近似等于托盘和所加砝码的重力之和,g取10 m/s2,则:课时巩固训练图S4-8(1)通过图像可以得出,先后两次运动的加速度之比为;(2)根据图像,可计算小车的质量为kg.课时巩固训练课时巩固训练2.如图S4-9甲所示,某同学将力传感器固定在小车上,然后把绳的一端固定在传感器的挂钩上,用来测量绳对小车的拉力,探究在小车及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系.图S4-9课时巩固训练(1)该同学将实验器材如图甲所示连接后
18、,实验时还需要注意什么?.(只需填一条注意事项)(2)先接通电源,小车由静止释放,获得的一条纸带如图乙,O、A、B、C、D和E为纸带上六个计数点,O为运动时打的第一个点,则O、D间的距离为cm.(3)图丙是根据实验数据绘出的s-t2图线(s为各计数点至点O的距离),则由此图可算出加速度为m/s2.(保留两位有效数字)课时巩固训练课时巩固训练3.利用如图S4-10所示的装置探究加速度与力的关系.一端带有定滑轮的长木板固定在水平桌面上,另一端安装打点计时器,绕过定滑轮和动滑轮的细线将小车和弹簧秤连接,动滑轮下挂有质量可以改变的小重物,将纸带穿过打点计时器后连在小车后面,接通电源,放开小车.不计滑轮
19、的质量,忽略滑轮的摩擦.图S4-10 课时巩固训练(3)如果某次实验中已测得小车的质量为M,弹簧秤的示数为F,小车的加速度为a.利用这三个数据你还能求出与本次实验相关的什么物理量的数据?并利用这些符号表示出来.(写出一个物理量及其表达式即可,重力加速度为g)课时巩固训练课时巩固训练4.2017成都七中期中 某班级同学用如图S4-12所示的装置验证加速度a和力F、质量m的关系.甲、乙两辆小车放在倾斜轨道上,小车甲上固定一个力传感器,小车乙上固定一个加速度传感器,力传感器和小车乙之间用一根不可伸长的细线连接,在弹簧拉力的作用下两辆小车一起开始运动,利用两个传感器可以采集记录同一时刻小车乙受到的拉力
20、和加速度的大小.图S4-12 课时巩固训练(1)下列关于实验装置和操作的说法中正确的是.A.轨道倾斜是为了平衡小车甲受到的摩擦力B.轨道倾斜是为了平衡小车乙受到的摩擦力C.实验中,在小车乙向下运动的过程中均可采集数据D.实验中,只能在小车乙加速运动的过程中采集数据(2)四个实验小组选用的小车乙(含加速度传感器)的质量分别为m1=0.5 kg、m2=1.0 kg、m3=1.5 kg和m4=2.0 kg,其中有三个小组已经完成了a-F图像,如图S4-13所示.最后一个小组的实验数据如下表所示,请在图中完成该组的a-F图线.课时巩固训练图S4-13 实验次数123456拉力F/N24.5 20.0
21、17.5 12.08.14.8加速度a/(m/s2)16.3 13.3 11.78.05.43.2(3)在验证了a和F的关系后,为了进一步验证a和m的关系,可直接利用图甲的四条图线收集数据,然后作图.请写出具体的做法:为了更直观地验证a和m的关系,建立的坐标系应以为纵轴,以为横轴 如何收集数据?课时巩固训练课时巩固训练5.如图S4-14甲所示为阿特武德机的示意图,它是早期测量重力加速度的器械,由英国数学家和物理学家阿特武德于1784年制成.他将质量同为M(已知量)的重物用绳连接后,放在光滑的轻质滑轮上,处于静止状态.再在一个重物上附加一质量为m的小重物,这时,由于小重物的重力而使系统做初速度为
22、零的缓慢加速运动并测出加速度,完成一次实验后,换用不同质量的小重物,重复实验,测出不同m时系统的加速度.图S4-14 课时巩固训练(1)若选定如图甲左侧重物从静止开始下落的过程进行测量,则为了测出重力加速度需要直接测量的物理量有.A.小重物的质量mB.大重物质量MC.绳子的长度D.重物下落的距离及下落这段距离所用的时间(2)经过多次重复实验,得到多组a、m数据,作出图像,如图乙所示,已知该图像斜率为k,纵轴截距为b,则可求出当地的重力加速度g=,并可求出大重物质量M=.课时巩固训练课时巩固训练6.2018湖南衡山段考 甲同学用图S4-15所示装置测量重物的质量M.初始时吊盘上放有5个槽码,吊盘
23、与每个槽码的质量均为m0(M6m0),在吊盘下固定纸带,让其穿过打点计时器.先调整重物的高度,使其从适当的位置开始下落,打出纸带,测得其下落的加速度.再从左侧吊盘依次取下一个槽码放到右侧重物上,让重物每次都从适当的高度开始下落,测出加速度.描绘出重物下落的加速度a与加在其上的槽码个数n的关系图线,根据图线计算出重物的质量M.请完成下面填空:课时巩固训练(1)某次实验获得的纸带如图S4-15,则纸带的(选填“左端”或“右端”)与吊盘相连.若已知纸带上相邻两计数点间还有4个点未画出,且s1=1.60 cm,s2=2.09 cm,s3=2.60 cm,s4=3.12 cm,s5=3.60 cm,s6=4.08 cm,则a=m/s2.(保留2位有效数字,电源频率为50 Hz)(2)重物下落的加速度a与加在其上的槽码个数n的关系图线可能是图S4-16中的.(填字母代号)图S4-15 课时巩固训练图S4-16(3)若算出a-n图线的斜率为k,则计算重物质量的表达式为M=(用k、m0、g等表示).(4)乙同学说直接让重物拉着左边5个槽码下落,测出加速度,一次就可算出M的值了,乙同学的说法(选填“对”或“错”),与乙相比,甲同学做法的优点是.课时巩固训练
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