第3章 实验四　验证牛顿运动定律—2021高考物理科学复习解决方案（讲义）

实验四　验证牛顿运动定律 主干梳理 对点激活 对应学生用书P065 1．学会用控制变量法研究物理规律。 2．探究加速度与力、质量的关系。 3．掌握利用图象处理数据的方法。 探究加速度a与力F及质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量——小车的质量M不变，探究加速度a与力F的关系，再控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，探究加速度a与M的关系。 打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板，小盘、砝码、夹子、细绳、垫木、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。 1．称量质量——用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。 2．安装器材——按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。 3．平衡摩擦力——在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。 4．让小车靠近打点计时器，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力，即为小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并把力和对应的加速度填入表1中。 5．改变小盘内砝码的个数，重复步骤4，并多做几次。 6．保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量M，并由纸带计算出小车对应的加速度，并将所对应的质量和加速度填入表2中。 7．改变小车上砝码的个数，重复步骤6，并多做几次。 表1 实验次数 加速度a/(m·s－2) 小车受力F/N 1 2 3 4 表2 实验次数 加速度a/(m·s－2) 小车和砝码的总质量M/kg 1 2 3 4 1．计算加速度——先在各条纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，再根据逐差法计算纸带对应的加速度。 2．作图象找关系——根据表1中记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F，建立直角坐标系，描点画a­F图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与合外力成正比。再根据表2中记录的各组对应的加速度a与小车和砝码的总质量M，建立直角坐标系，描点画a－图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。 1．因实验原理不完善引起误差。以小盘和砝码整体(整体质量为m＝m0＋m砝)为研究对象得mg－F＝ma；以小车为研究对象得F＝Ma；求得F＝·mg<mg。 ·mg＝ 本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小。因此，满足小盘和砝码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。 2．摩擦力平衡不准确造成误差。在平衡摩擦力时，除了不挂小盘之外，其他均应该与实验测量时的操作一致(比如要挂好纸带、接通打点计时器等)，小车匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻两点间的距离相等。摩擦力平衡不足或过度都会引起误差。 3．质量的测量、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差。 1．平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，且要让小车拖着纸带匀速运动。 2．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。 3．实验条件：每条纸带都必须在满足小车的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出。只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。 4．一先一后一按住：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达定滑轮前按住小车。 5．作图：作图时，两坐标轴的比例要适当，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧。 1．实验方案的改进 (1)如图，两个小车，同时运动、同时停止，位移之比等于加速度之比。可以通过增减小盘中砝码探究加速度与力的关系，通过增减小车中的砝码探究加速度与质量的关系。 (2)将小车与小盘、砝码看做整体，小盘和砝码的重力即系统所受合力，通过小盘中和小车中砝码的变动，使系统总质量不变，探究加速度与力的关系。此方案不必保证小车的质量远大于小盘和砝码的总质量。 2．实验器材的改进 (1)气垫导轨：不用平衡摩擦力。 (2)力传感器或弹簧测力计：可直接测绳的拉力，不必保证小车质量远大于小盘砝码总质量。 (3)速度传感器、位移传感器、光电门。 3．数据测量的改进 (1)光电门：a＝。 (2)位移传感器：a＝。 (3)速度传感器：