第03章 第4講 實驗四 驗證牛頓運動定律

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1、第4講 實驗四 驗證牛頓運動定律 誤差分析 1.質(zhì)量的測量誤差、紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差、拉線或紙帶不與木板平行等都會造成誤差. 2.因?qū)嶒炘聿煌晟埔鸬恼`差 本實驗用小盤和砝碼的總重力mg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. 3.摩擦力平衡不準確、質(zhì)量測量不準確、計數(shù)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.注意事項 1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力時,不要懸掛小桶,但小車應(yīng)連著紙帶且接通電源.用手給小車一個初速度,如果在紙帶上打出的點的間隔是均勻的,表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡.

2、2.不重復平衡摩擦力:平衡了摩擦力后,不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力. 3.實驗條件:m車?m只有如此,小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力. 4.一先一后一按:改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器,并應(yīng)先接通電源,后放開小車,且應(yīng)在小車到達滑輪前按住小車. 5.作圖:作圖時兩軸標度比例要適當.各量須采用國際單位.這樣作圖線時,坐標點間距不至于過密,誤差會小些. 對實驗原理與實驗誤差的分析 【例1】 在探究物體的加速度a與物體所受外力F、物體質(zhì)量M間的關(guān)系時,采用如圖3-4-1所示的實驗裝置.

3、小車及車中的砝碼質(zhì)量用M表示,盤及盤中的砝碼質(zhì)量用m表示. 圖3-4-1 (1)當M與m的大小關(guān)系滿足________時,才可以認為繩子對小車的拉力大小等于盤和砝碼的重力. (2)某一組同學先保持盤及盤中的砝碼質(zhì)量m一定來做實驗,其具體操作步驟如下,以下做法正確的是________. A.平衡摩擦力時,應(yīng)將盤及盤中的砝碼用細繩通過定滑輪系在小車上 B.每次改變小車的質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力 C.實驗時,先放開小車,再接通打點計時器的電源 D.用天平測出m以及小車質(zhì)量M,小車運動的加速度可直接用公式a=求出 (3)另兩組同學保持小車及車中的砝碼質(zhì)量M一定,探究加速度a與所

4、受外力F的關(guān)系,由于他們操作不當,這兩組同學得到的a-F關(guān)系圖象分別如圖3-4-2和圖3-4-3所示,其原因分別是:      圖3-4-2     圖3-4-3 圖3-4-2: ____________________________________________________; 圖3-4-3: _____________________________________________________. 解析 (1)實驗中的實際加速度為a=,實驗時把mg當成對M的拉力,即忽略m對加速度的影響,使加速度約為a=,顯然需m?M.(2)平衡摩擦力的實質(zhì)是,讓重力的下滑分力與摩擦力

5、平衡:Mgsin θ=μMgcos θ?、?,只需將紙帶掛上,不需施加其他外力,A錯;由①式可知B對;每次實驗時應(yīng)先接通打點計時器的電源,再放開小車,C錯;小車的加速度應(yīng)由小車后面拖動的紙帶上打出的點計算出,D錯.(3)若m?M則a=mg,斜率基本不變,若m過大(或M過小),則m不能忽略,3a=mg,隨m的增大斜率減小,從題圖3-4-3可以看到,有了一定的拉力而加速度為零,顯然沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠. 答案 (1)m?M (2)B (3)m過大(或M過小),造成m不是遠小于M 沒有平衡摩擦力或木板的傾角過小 對實驗的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用數(shù)學處理物理問    題的能力 【例2】

6、 “探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實驗裝置如圖3-4-4甲所示. 圖3-4-4 (1)在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中,打出了一條紙帶如圖3-4-4乙所示.計時器打點的時間間隔為0.02 s.從比較清晰的點起,每5個點取一個計數(shù)點,量出相鄰計數(shù)點之間的距離.該小車的加速度a=________m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)平衡摩擦力后,將5個相同的砝碼都放在小車上.掛上砝碼盤,然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,測量小車的加速度.小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數(shù)據(jù)如下表: 砝碼盤中砝碼 總重力F(N) 0.196 0

7、.392 0.588 0.784 0.980 加速度a(m·s-2) 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖3-4-5中作出a-F的關(guān)系圖象. 圖3-4-5 (3)根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的a-F圖線不通過原點.請說明主要原因. 解析 (1)由題意可知計數(shù)間隔T=5T0=0.1 s. 由Δx=aT2和Δx=0.16 cm=1.6×10-3 m 可得:a=0.16 m/s2. (2)a-F圖線如圖所示. (3)平衡小車與桌面之間的摩擦力,a-F圖象仍不通過原點,可能是在計算F時忘記加入砝碼盤的重力,使作出的圖象向左平移造成的.

8、 答案 (1)0.16 (2)見解析 (3)忘記加入砝碼盤的重力 【例3】 (2011·山東卷,23(1)) 圖3-4-6 某探究小組設(shè)計了“用一把尺子測定動摩擦因數(shù)”的實驗方案.如圖3-4-6所示,將一個小球和一個滑塊用細繩連接,跨在斜面上端.開始時小球和滑塊均靜止,剪斷細繩后,小球自由下落,滑塊沿斜面下滑,可先后聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音.保持小球和滑塊釋放的位置不變,調(diào)整擋板位置,重復以上操作,直到能同時聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音.用刻度尺測出小球下落的高度H、滑塊釋放點與擋板處的高度差h和沿斜面運動的位移x.(空氣阻力對本實驗的影響可以忽略) (1)滑塊沿

9、斜面運動的加速度與重力加速度的比值為________. (2)滑塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為________. (3)以下能引起實驗誤差的是________. a.滑塊的質(zhì)量 b.當?shù)刂亓铀俣鹊拇笮? c.長度測量時的讀數(shù)誤差 d.小球落地和滑塊撞擊擋板不同時 解析 (1)同時聽到聲音說明小球與木塊運動時間相同,設(shè)都為t,則小球做自由落體運動,H=gt2,木塊沿斜面下滑做勻加速直線運動,x=at2,由以上兩式可得=. (2)對木塊進行受力分析如圖所示,由牛頓第二定律得沿斜面方向: mgsin θ-f=ma 垂直斜面方向:N-mgcos θ=0 又有:f=μN 由以上三式

10、解得a=gsin θ-μgcos θ, 將=代入可得:μ=. (3)由動摩擦因數(shù)的表達式可知選c、d. 答案 (1) (2) (3)cd 1.在利用打點計時器和小車來做“驗證牛頓運動定律”的實驗時,下列說法中正確的是(  ). A.平衡摩擦力時,應(yīng)將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過定滑輪拴在小車上 B.連接砝碼盤和小車的細繩應(yīng)跟長木板保持平行 C.平衡摩擦力后,長木板的位置不能移動 D.小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器,且應(yīng)先接通電源再釋放小車 解析 本題考查實驗過程中應(yīng)注意的事項,選項A中平衡摩擦力時,不能將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼(或小桶)通過細繩拴在小車上,A錯;選項B、C、D符合正確的操作

11、方法,B、C、D對. 答案 BCD 2.(2011·南通質(zhì)檢) “驗證牛頓運動定律”的實驗,主要的步驟有(  )。 A.將一端附有定滑輪的長木板放在水平桌面上,取兩個質(zhì)量相等的小車,放在光滑的水平長木板上; B.打開夾子,讓兩個小車同時從靜止開始運動,小車運動一段距離后,夾上夾子,讓它們同時停下來,用刻度尺分別測出兩個小車在這一段時間內(nèi)通過的位移大?。? C.分析所得到的兩個小車在相同時間內(nèi)通過的位移大小與小車所受的水平拉力的大小關(guān)系,從而得到質(zhì)量相等的物體運動的加速度與物體所受作用力大小的關(guān)系; D.在小車的后端也分別系上細繩,用一只夾子夾住這兩根細繩; E.在小車的前端分別系上

12、細繩,繩的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤,盤內(nèi)分別放著數(shù)目不等的砝碼,使砝碼盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量.分別用天平測出兩個砝碼盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量. 上述實驗步驟,正確的排列順序是    . 解析 此題考查的是實驗步驟,對于實驗的一些常識,必須牢記于心,結(jié)合本實驗的實驗步驟,不難排列出正確的順序. 答案 AEDBC 3.用如圖3-4-7所示的裝置來探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.實驗時,小盤和砝碼牽引小車,使小車做初速度為零的勻加速運動. 圖3-4-7 (1)此實驗中可以不測量小車加速度的具體值,原因是____________________________ ___

13、_____________________________________________________________________. (2)通過改變________,就可以改變小車所受的合力. (3)在探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時,分別以________為縱坐標、________為橫坐標作圖象,這樣就能直觀地看出二者關(guān)系. 答案 (1)探究的是加速度與其他量之間的比例關(guān)系(其他解答只要合理即可.如:初速度為零的勻加速運動,在相同的時間內(nèi),位移與加速度成正比) (2)砝碼的數(shù)量 (3)a或 (或a) 4.(2011·浙江卷,21)在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗時,已提供了小車、

14、一端附有定滑輪的長木板、紙帶、帶小盤的細線、刻度尺、天平、導線.為了完成實驗,還須從如圖3-4-8中選取實驗器材,其名稱是____________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________; 并分別寫出所選器材的作用_______________________________________________

15、 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖3-4-8 解析 電磁打點計時器用來打點計時,以便測定加速度,要配備4~6 V學生電源(交流電源)為其供電,通過改變砝碼個數(shù)來改變拉力大小.鉤碼放在小車上來調(diào)節(jié)小車質(zhì)量.也可用電火花打點計時器來代替學生電源和電磁打點計時器,因為電火花打點計時器使用220 V交流電,不使用學生電源. 答案 

16、學生電源、電磁打點計時器(或電火花打點計時器)、鉤碼、砝碼 學生電源為電磁打點計時器提供交流電源;電磁打點計時器(電火花打點計時器)記錄小車的位置和時間;鉤碼用以改變小車的質(zhì)量;砝碼用以改變小車受到拉力的大小,還可以用于測量小車的質(zhì)量. 5.(2011·開封模擬)為了探究加速度與力的關(guān)系,使用如圖3-4-9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(shù)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(zhì)量為M,擋光片寬度為D,光電門間距離為x,牽引砝碼的質(zhì)量為m.回答下列問題: 圖3-4

17、-9 (1)實驗開始應(yīng)先調(diào)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(diào)節(jié)是否到位? 答 ___________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ______________________

18、__________________________________________________. (2)若取M=0.4 kg,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.m=5 g B.m=15 g C.m=40 g D.m=400 g (3)在此實驗中,需要測得每一個牽引力對應(yīng)的加速度,求得的加速度的表達式為________________.(用Δt1,Δt2,D,x表示) 答案 (1)取下牽引砝碼,M放在任意位置都不動;或取下牽引砝碼,輕推滑行器M,數(shù)字計時器記錄每一個光電門的光束被擋的時間Δt都相等 (2)D (3)a= 6.(2

19、010·江蘇單科,11)為了探究受到空氣阻力時,物體運動速度隨時間的變化規(guī)律,某同學采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實驗裝置(如圖3-4-10所示).實驗時,平衡小車與木板之間的摩擦力后,在小車上安裝一薄板,以增大空氣對小車運動的阻力. 圖3-4-10 (1)往砝碼盤中加入一小砝碼,在釋放小車________(選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源,在紙帶上打出一系列的點. (2)從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量,得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表: 時間t/s 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 速度v/(m·s-1) 0.12 0.19 0.23 0.26 0.28 0.29 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖3-4-11作出小車的v-t圖象. 圖3-4-11 (3)通過對實驗結(jié)果的分析,該同學認為:隨著運動速度的增加,小車所受的空氣阻力將變大.你是否同意他的觀點?請根據(jù)v-t圖象簡要闡述理由. 解析 (3)由速度圖象的斜率可以看出速度越大,加速度越小.所以該同學分析合理. 答案 (1)之前 (2)如圖所示 (3)同意.在v-t圖象中,速度越大時,加速度越小,小車受到的合力越小,則小車受空氣阻力越大. 第 7 頁 共 7 頁

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