實(shí)驗(yàn)四　　驗(yàn)證牛頓第二定律一、基本實(shí)驗(yàn)要求1．實(shí)驗(yàn)原理（見(jiàn)實(shí)驗(yàn)原理圖）（1）保持質(zhì)量不變，驗(yàn)證加速度跟合外力的關(guān)系．（2）保持合外力不變，驗(yàn)證加速度與質(zhì)量的關(guān)系．（3）作出a－F圖象和a－圖象，確定其關(guān)系．2．實(shí)驗(yàn)器材小車(chē)、砝碼、小盤(pán)、細(xì)繩、附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、刻度尺．3．實(shí)驗(yàn)步驟（1）測(cè)量：用天平測(cè)量小盤(pán)和砝碼的質(zhì)量m′和小車(chē)的質(zhì)量m．（2）安裝：按照如實(shí)驗(yàn)原理圖所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上（即不給小車(chē)牽引力）．（3）平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車(chē)能勻速下滑．（4）操作：①小盤(pán)通過(guò)細(xì)繩繞過(guò)定滑輪系于小車(chē)上，先接通電源后放開(kāi)小車(chē)，取下紙帶編號(hào)碼． ②保持小車(chē)的質(zhì)量m不變，改變砝碼和小盤(pán)的質(zhì)量m′，重復(fù)步驟①．③在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測(cè)加速度a．④描點(diǎn)作圖，作a－F的圖象．⑤保持砝碼和小盤(pán)的質(zhì)量m′不變，改變小車(chē)質(zhì)量m，重復(fù)步驟①和③，作a－圖象．二、規(guī)律方法總結(jié)1．注意事項(xiàng)（1）平衡摩擦力：適當(dāng)墊高木板的右端，使小車(chē)的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車(chē)和紙帶受到的阻力．在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上，讓小車(chē)?yán)┻^(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶勻速運(yùn)動(dòng)．（2）不重復(fù)平衡摩擦力．（3）實(shí)驗(yàn)條件：m?m′.（4）一先一后一按：改變拉力和小車(chē)質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車(chē)，且應(yīng)在小車(chē)到達(dá)滑輪前按住小車(chē)．2．誤差分析（1）因?qū)嶒?yàn)原理不完善引起的誤差：本實(shí)驗(yàn)用小盤(pán)和砝碼的總重力m′g代替小車(chē)的拉力，而實(shí)際上小車(chē)所受的拉力要小于小盤(pán)和砝碼的總重力．（2）摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測(cè)量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差．3．?dāng)?shù)據(jù)處理（1）利用Δx＝aT2及逐差法求a.（2）以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點(diǎn)，如果這些點(diǎn)在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，說(shuō)明a與F成正比．（3）以a為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、連線，如果該線為過(guò)原點(diǎn)的直線，就能判定a與m成反比． 考點(diǎn)一　實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作例1、在“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的實(shí)驗(yàn)中，采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置．小車(chē)及車(chē)中砝碼的質(zhì)量用M表示，盤(pán)及盤(pán)中砝碼的質(zhì)量用m表示，小車(chē)的加速度可由小車(chē)后拖動(dòng)的紙帶打上的點(diǎn)計(jì)算出．（1）利用該套實(shí)驗(yàn)裝置可以做力學(xué)中的許多實(shí)驗(yàn)．以下說(shuō)法正確的是（　　）A．用此裝置“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”時(shí)，必須設(shè)法消除小車(chē)和長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)”時(shí)，應(yīng)使小盤(pán)和盤(pán)內(nèi)砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量C．用此裝置“探究加速度a與力F的關(guān)系”時(shí)，必須設(shè)法消除小車(chē)和長(zhǎng)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(guān)系”時(shí)，應(yīng)使小盤(pán)和盤(pán)內(nèi)砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量（2）一組同學(xué)在做加速度與質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持盤(pán)及盤(pán)中砝碼的質(zhì)量一定，改變小車(chē)及車(chē)中砝碼的質(zhì)量，測(cè)出相應(yīng)的加速度，采用圖象法處理數(shù)據(jù)．為了比較容易地檢查出加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系，應(yīng)該作a與_______的圖象．（3）如圖（a）所示為甲同學(xué)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作出的a-F圖線，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題是_______________________________________．（4）乙、丙同學(xué)用同一裝置做實(shí)驗(yàn)，畫(huà)出了各自得到的a-F圖線如圖（b）所示，兩個(gè)同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)的哪一個(gè)物理量取值不同？_______________________________．例2、某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系． （1）下列做法正確的是________．（填字母代號(hào)）A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長(zhǎng)木板保持平行B．在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動(dòng)摩擦力時(shí)，將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上C．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開(kāi)木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源D．通過(guò)增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí)，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度（2）為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力，應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量________木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量．（選填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”）（3）甲、乙兩同學(xué)在同一實(shí)驗(yàn)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(méi)有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關(guān)系，分別得到圖中甲、乙兩條直線．設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)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(diǎn)二　數(shù)據(jù)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(guān)系”的實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)時(shí)保持小車(chē)的質(zhì)量不變，用鉤碼所受的重力作為小車(chē)受到的合力，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車(chē)后端拖動(dòng)的紙帶測(cè)出小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度．（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)先不掛鉤碼，反復(fù)調(diào)整墊塊的左右位置，直到小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這樣做的目的是________________________________________________________________________． （2）圖為實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶的一部分，從比較清晰的點(diǎn)跡起，在紙帶上標(biāo)出了連續(xù)的5個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間都有4個(gè)點(diǎn)跡沒(méi)有標(biāo)出，測(cè)出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)之間的距離，如圖所示．已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在頻率為50Hz的交流電源兩端，則此次實(shí)驗(yàn)中小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度的測(cè)量值a＝________m/s2．（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)改變所掛鉤碼的質(zhì)量，分別測(cè)量小車(chē)在不同外力作用下的加速度．根據(jù)測(cè)得的多組數(shù)據(jù)畫(huà)出a－F關(guān)系圖象，如圖所示．此圖象的AB段明顯偏離直線，造成此現(xiàn)象的主要原因可能是______．（選填下列選項(xiàng)的序號(hào)）A．小車(chē)與平面軌道之間存在摩擦B．平面軌道傾斜角度過(guò)大C．所掛鉤碼的總質(zhì)量過(guò)大D．所用小車(chē)的質(zhì)量過(guò)大例4、用下圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證牛頓第二定律。（1）為消除摩擦力的影響，實(shí)驗(yàn)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(dāng)墊高并反復(fù)調(diào)節(jié)，直到輕推小車(chē)后，小車(chē)能沿木板做________________運(yùn)動(dòng)。（2）某次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如下表所示，根據(jù)這些數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖中描點(diǎn)并作出圖線，從圖線求得合外力大小為_(kāi)_______N（計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。 4.01.23.61.12.00.61.40.41.00.3考點(diǎn)三　實(shí)驗(yàn)拓展與創(chuàng)新1．從測(cè)量加速度a的角度變式（如圖所示）（1）此實(shí)驗(yàn)裝置需要平衡摩擦力嗎？氣墊導(dǎo)軌需要調(diào)到水平嗎？（2）此實(shí)驗(yàn)裝置需要滿足滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量嗎？2．從測(cè)量合外力F的角度變式（如圖所示）（1）此實(shí)驗(yàn)裝置需要平衡摩擦力嗎？（2）此實(shí)驗(yàn)裝置需要滿足小車(chē)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量嗎？例5、為了探究加速度與力的關(guān)系，使用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．其中G1、G2為兩個(gè)光電門(mén)，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連，當(dāng)滑行器通過(guò)G1、G2光電門(mén)時(shí)，光束被遮擋的時(shí)間Δt1、Δt2都可以被測(cè)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(mén)間距離為x，牽引砝碼的質(zhì)量為m?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)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：。（2）若取M＝0.4kg，改變m的值，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以下m的取值不合適的一個(gè)是__________．A．m1＝5g　　　B．m2＝15gC．m3＝40gD．m4＝400g（3）在此實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)得每一個(gè)牽引力對(duì)應(yīng)的加速度，求得的加速度的表達(dá)式為_(kāi)___________________________．（用Δt1、Δt2、D、x表示）例6、某實(shí)驗(yàn)小組在“探究加速度與物體受力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)出如下的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．已知小車(chē)質(zhì)量M＝214.6g，砝碼盤(pán)質(zhì)量m0＝7.8g，所使用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率f＝50Hz．其實(shí)驗(yàn)步驟是：A．按圖中所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置； B．調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角，輕推小車(chē)后，使小車(chē)能沿長(zhǎng)木板向下做勻速直線運(yùn)動(dòng)；C．取下細(xì)繩和砝碼盤(pán)，記下砝碼盤(pán)中砝碼的質(zhì)量m；D．將小車(chē)置于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器旁，先接通電源，再放開(kāi)小車(chē)，打出一條紙帶，由紙帶求得小車(chē)的加速度a；E．重新掛上細(xì)繩和砝碼盤(pán)，改變砝碼盤(pán)中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)B—D步驟，求得小車(chē)在不同合外力F作用下的加速度．回答下列問(wèn)題：（1）按上述方案做實(shí)驗(yàn)，是否要求砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量？________（填“是”或“否”）．（2）某同學(xué)將有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)填入他所設(shè)計(jì)的表格中，如下表，次數(shù)12345砝碼盤(pán)中砝碼的重力F/N0.100.200.290.390.49小車(chē)的加速度a/（m·s－2）0.881.441.842.382.89他根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫(huà)出a－F圖象（如圖所示）．造成圖線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條最主要原因是____________________________，從該圖線延長(zhǎng)線與橫軸的交點(diǎn)可求出的物理量是______________，其大小為_(kāi)_________．例7、某同學(xué)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量物塊與斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)．已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50Hz，物塊下滑過(guò)程中所得到的紙帶的一部分如圖（b）所示，圖中標(biāo)出了五個(gè)連續(xù)點(diǎn)之間的距離． （1）物塊下滑時(shí)的加速度a＝________m/s2，打C點(diǎn)時(shí)物塊的速度v＝___________m/s；（2）已知重力加速度大小為g，為求出動(dòng)摩擦因數(shù)，還必須測(cè)量的物理量是________（填正確答案標(biāo)號(hào)）．A．物塊的質(zhì)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(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．2．（1）下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是______（選填選項(xiàng)前的字母）A．做實(shí)驗(yàn)之前必須平衡摩擦力B．小車(chē)的質(zhì)量必須比所掛鉤碼的質(zhì)量大得多C．應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行D．實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)候，小車(chē)最好距離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器遠(yuǎn)一點(diǎn) （2）從實(shí)驗(yàn)中挑選一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，用刻度尺測(cè)量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(diǎn)間的距離x1=_____cm；該小車(chē)的加速度a=____m/s2（計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字），實(shí)驗(yàn)中紙帶的____（填“左”或“右”）端與小車(chē)相連接．2．用圖（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓第二定律。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器砂桶紙帶小車(chē)a0（1）某同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到如圖（b）所示的a—F圖象，造成這一結(jié)果的原因是：在平衡摩擦力時(shí)。圖中a0表示的是時(shí)小車(chē)的加速度。（2）某同學(xué)得到如圖（c）所示的紙帶。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50Hz．A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個(gè)連續(xù)的點(diǎn)。=cm；由此可算出小車(chē)的加速度a=m/s2（保留兩位有效數(shù)字）。xADxDG 實(shí)驗(yàn)四　　驗(yàn)證牛頓第二定律答案例1、（1）CD?。?）?。?）沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠　（4）兩小車(chē)及車(chē)上的砝碼的總質(zhì)量不同例2、（1）AD　（2）遠(yuǎn)小于?。?）小于大于例3、（1）平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)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(dǎo)軌上，輕推滑塊，看其能否做勻速直線運(yùn)動(dòng)　（2）D?。?）a＝（－）例6、（1）否?。?）在計(jì)算小車(chē)所受的合外力時(shí)未計(jì)入砝碼盤(pán)的重力（只要涉及“未考慮砝碼質(zhì)量的因素”就算正確）　砝碼盤(pán)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(zhǎng)木板的傾角過(guò)大（能答到這個(gè)意思即可）；未掛砂桶。（2）1.80；5.0m/s2