2015届高三物理精细化复习讲义
第五节 实验 验证牛顿运动定律
【实验目的】
1．学会用控制变量法研究物理规律． 2．验证牛顿运动定律．
3．掌握利用图象处理数据的方法． 【实验原理】
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，讨论加速度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，讨论加速度a与M的关系． 【实验器材】
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、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺． 一、实验步骤
1．用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0.
2．把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端，连接好电路．
3．平衡摩擦力：小车的尾部挂上纸带，纸带穿过打点计时器的限位孔，将木板无滑轮的一端稍微垫高一些，使小车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动．这样小车所受重力沿木板的分力与小车所受滑动摩擦力平衡．在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下，可以近似认为小盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小．
4．把小车停在打点计时器处，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记录在纸带上(或表格中)．
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． 7．改变小车上砝码的个数，重复步骤6，所对应的质量和加速度也需记录． 二、数据处理
1．把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：
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由以上数据画出它的a－F关系图象如下图所示．
通过a－F关系图象，我们可以得出小车的加速度a与力F成正比
2．把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中：
由以上数据画出它的
1a－M图象及a－图象，如图M
3－4－3甲、乙所示． 通过
1a－M和a－关系图象，我们可以得出小车的M 1加速度a与质量M成反比，与质量的倒数M成正比．
三、实验中应注意的事项
1．一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方
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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．
2．实验步骤2、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．
3．每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总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．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，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．
5．作图象时，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．
6．作图时两轴标度比例要选择适当．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．
7．为提高测量精度，可以采取下列措施：
(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，每隔四个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1秒 四、误差分析及实验改进 1．误差分析 产生原因 减小方法 测量误差：①质量测量不准确②纸带上所打点间距测量不准 (1)多次测量取平均值(2)舍掉纸带上开头较密集的点，在后面便于测量的地方找起点(3)从开始点起，每五个点标一个计数点，相邻计数点间隔0.1 s 偶然误差 拉线或纸带不与木板平行 调节拉线或纸带使之与木板平行 在平衡摩擦力时，除不挂小盘外，其他的平衡摩擦力不准确 都跟正式实验一样(如要挂好纸带，先接通打点计时器后放纸带等) 系统误差 本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受拉力要小于小盘和砝码的总重力 让小盘和砝码的总质量远小于小车的总质量 2．实验改进
本实验中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器，借助于计算机来处理．
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【总结】 1、知识网络
2、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，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斜面向下的分力平衡．
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．
4．实验条件：m?m′只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．
5．一先一后一按：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，且应在小车到达滑轮前按住小车．
6．作图：作图时两轴标度比例要适当．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． 【复习巩固题】
1、(2009年高考上海卷)如图所示为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置．
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(1)在该实验中必须采用控制变量法，应保持________不变，用钩码所受的重力作为________，用DIS测小车的加速度．
(2)改变所挂钩码的数量，多次重复测量．在某次实验中根据测得的多组数据可画出a－F关系图线(如图所示)．
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是
___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ②(单选题)此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是( )
A．小车与轨道之间存在摩擦 B．导轨保持了水平状态 C．所挂钩码的总质量太大 D．所用小车的质量太大
2、(2011年六安模拟)某实验小组利用如图所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系．
(1)由图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x＝24 cm，由图中游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________cm.该实验小组在做实验时，将滑块从图所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1＝________，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2＝________，则滑块的加速度的表达式a＝________.(以上表达式均用字母表示)
(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验，得到如表所示的实验数据．通过分析表中数据后，你得出的结论是________．
(3)现需通过图象进一步验证你的结论，请利用表格数据，在图所示坐标系中描点作出相应图象．
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