高中物理 3.3实验：验证牛顿运动定律基础课件.pptx

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实验:验证牛顿运动定律
一、实验目的
验证牛顿运动定律,即质量一定时,加速度与作用力成正比;作用力一定时,加速度与质量成反比。
二、实验原理
采用控制变量法,当研究对象有两个以上的参量发生牵连变化时,我们设法控制某些参量不变,而研究其中两个参量之间的变化关系的方法,是物理实验中经常采取的一种方法。本实验的参量有F、m、a三个参量,研究加速度a与F及m的关系时,我们先控制一个参量,验证牛顿第二定律实验要求先控制小车的质量m不变,讨论a与F的关系后,再控制小盘砝码的质量不变,即F不变,改变小车的质量,讨论a与m的关系。
三、实验器材
打点计时器、纸带及复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、薄木板、小盘、细绳、低压交流电源、两根导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、砝码。
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,把数值记录下来。
,只是不把悬挂小盘的细
绳系在小车上(即不给小车加牵引力)。
:在长木板的不带定滑轮的一端下面
垫上一块薄木板,反复移动木板的位置,直至小车在斜
面上运动时保持匀速运动状态,这时小车拖着纸带运动
时受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的
分力平衡。
。先接通电源再放开小车,取下纸带,在打点纸带上标上纸带号码。
四、实验步骤
,在小盘内放入m′的砝码,重复步骤4,在小盘内分别放入质量m″,m……的砝码,再重复步骤4。m′,m″,m……的数值都要记录在纸带上(或自己设计的表格内)。
,按“研究匀变速直线运动”实验中的方法,算出每条纸带的加速度a。
,横坐标表示力,根据实验结果在坐标平面上画出相应的点,若这些点在一条直线上,便证明了加速度与作用力成正比。
,在小车上依次加砝码(也需作好记录),重复上述步骤4和6。用纵坐标表示加速度a,横坐标表示小车及砝码总质量的倒数,在坐标平面上根据实验结果画出相应的点,如果这些点在一条直线上,就证明加速度与质量成反比。
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五、注意事项
,也就是调出一个合适的斜面,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运动。
、3不需要重复,即整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码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。
。只有如此,小盘和砝码的总重力的大小才可视为小车受到的拉力的大小。
,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前按住小车。
,要使尽可能多的点在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。
。各量须采用国际单位。这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。

(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点,在后边便于测量的地方找一个起点。
(2)可以把每打五次点的时间作为时间单位,即从开始点起,每五个点标出一个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为T=。
,保证细绳与长木板平行。
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六、误差分析
,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差,细线或纸带不与木板平行等都会造成误差。
。
本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),存在系统误差。小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,误差就越小。
。
在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外,其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等。
为何小盘及砝码的总重力不等于绳子的拉力?如何才能减小由此造成的测量误差?这是产生系统误差的原因,分析如下:令小车带上纸带在斜面上平衡摩擦力后挂上小盘,使小车和小盘一起加速运动时绳的拉力大小为FT,小车总质量为M,盘和砝码总质量为m,它们的加速度为a,由牛顿第二定律:对M有FT=Ma,对m有mg-FT=ma。联立解得FT=Mmg/(M+m)=mg/(1+m/M)。可见,欲使FT≈mg,则必有m/M→0,故有m<<M为条件。实验操作中一般保持M>20m,否则,系统误差较大。
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【例1】在探究加速度与力、质量的关系实验中,采用如图所
示的实验装置,小车及车中砝码的质量用M表示,盘及盘中砝
码的质量用m表示,小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打
点计时器打上的点计算出。
(1)当M与m的大小关系满足______时,才可以认为绳对小车的
拉力大小等于盘及盘中砝码的重力。
(2)一组同学在做加速度与质量的关系实验时,保持盘及盘中砝
码的质量一定,改变小车及车中砝码的质量,测
出相应的加速度,采用图象法处理数据。为了比
较容易地确定出加速度a与质量M的关系,应该作
a与______的图象。
(3)如图(a)为甲同学根据测量数据作出的a-F图
线,说明实验存在的问题主要是_____________。
(4)乙、丙同学用同一装置做实验,画出了各自得到
的a-F图线如图(b)所示,两个同学做实验时
的哪一个物理量取值不同?_______________。
考点1实验原理、实验器材、实验步骤的考查
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【解析】(1)M>>m时,才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘中砝码的重力。
(2)因由实验画的a-M图象是一条曲线,难以判定它所对应的函数式,从而难以确定a与M的定量关系,所以在实验中应作a-(1/M)图象而不是a-M图象来分析实验结果。
(3)图(a)甲同学根据测量数据作出的a-F图线没有过原点,图象交于F轴上一点,说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。
(4)乙、丙同学用同一装置做实验,画出了各自得到的a-F图线,两图象的斜率不同,说明两个同学做实验时的小车及车上砝码的总质量不同。
【答案】(1)M>>m(2)1/M
(3)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够
(4)小车及车上的砝码的总质量不同
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在做“验证牛顿运动定律”的实验时,按实验要求安装好器材后,应按一定的步骤进行实验,下列给出供选择的操作步骤:
,在小车里加砝码,测出加速度,重复几次
,改变小桶和砂的质量,测出加速度,重复几次

,平衡摩擦力
,分别画出a-F和a-(1/m)的图线

,接通电源,释放小车,
在纸带上打下一系列的点
以上步骤中,不必要的步骤是:____,正确步骤的合理顺序是:
__________________________________________(填写代表字母)。
F
C、D、G、A、B(或B、A)、E
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考点2实验数据的处理及误差分析
【例2】“探究加速度与物体质量、物
体受力的关系”的实验装置如图
所示。
(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力
的过程中,打出了一条纸带如
图所示。计时器打点的时
。从比较清晰的点起,每5个点取一个计数
点,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度
a=____m/s2。(结果保留两位有效数字)
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【解析】本题考查探究加速度与物体质量、物体受力的关系实验,
考查学生分析实验数据的能力。
m/s2≈
(2)如右图所示
(3)未计入砝码盘的重力。
(2)平衡摩擦力后,挂上砝码盘,然后每次取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车
的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表:
(3)根据提供的实验数据作出的a-F图线不通过原点,
请说明主要原因。
砝码盘中砝码总重力F(N)





加速度a(m·s-2)





请根据实验数据作出a-F的关系图象。
【答案】(1)()(2)见解析图
(3)未计入砝码盘的重力
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[2010年高考山东理综]某同学设计了
如图所示的装置来探究加速度与力的关
系。弹簧秤固定在一合适的木板上,
桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔
以代替定滑轮,细绳的两端分别与弹簧
秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画
出两条平行线MN、PQ,并测出间距d。开始时将木板置于MN处,现缓慢向瓶中加水,直到木板刚刚开始运动为止,记下弹簧秤的示数F0,以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住,继续向瓶中加水后,记下弹簧秤的示数F1,然后释放木板,并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t。
(1)木板的加速度可以用d、t表示为a=______;为了减小测量加速
度的偶然误差可以采用的方法是(一种即可)
________________________________________。