《高考物理新编大一轮总复习》实验四 验证牛顿运动定律

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实验四　验证牛顿运动定律
一、实验目的
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。
二、实验原理
采取控制变量法，即先控制小车的质量 M不变，探究加速度 a与力 F的关系；再控制
小盘和砝码的质量不变，即力不变，探究加速度 a与小车质量 M的关系。
三、实验器材
小车，砝码，小盘，细绳，附有定滑轮的长木板，薄木块，打点计时器，低压交流电
源，导线，纸带，复写纸，托盘天平，米尺。
谨记部分器材用途
薄木块 前后移动，平衡小车受到的摩擦力
砝码 改变小车所受拉力的大小
四、实验步骤
1．称量质量
用天平测小盘的质量 m0和小车的质量 M0。
2．安装器材
按照实验原理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
无小车牵引力)。
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
在不挂小盘和砝码的情况下能沿木板做匀速直线运动为止。
4．测量加速度
(1)保持小车的质量不变：把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。计算小盘和砝码所受的重力，即为
小车所受的合力，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 (一)中。改
变小盘内砝码的个数，并多做几次实验。
(2)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
运动打出纸带。计算车上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
1
将所对应的质量和加速度填入表(二)中。改变小车上砝码的个数，并多做几次实验。
表(一)
实验次数 加速度 a/(m·s－2)小车受力 F/N
1
2
3
4
表(二)
实验
次数
加速度
a/(m·s－2)
小车和车上砝
码的总质量
M/kg
小车和车上砝码
的总质量的倒数
/kg－1
1
2
3
4
五、数据处理
1．计算加速度
在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速
度。
2．图象法处理实验数据
根据记录的加速度 a与小车所受的合力 F，描点画 aF 图象，如果图象是一条过坐标原
点的倾斜直线，便证明加速度与合力成正比。再根据记录的加速度 a与小车和砝码总质量
M，描点画 a图象，如果图象是一条过坐标原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。
六、误差分析
1．因实验原理不完善引起的系统误差
以小车、小盘和砝码整体为研究对象得 mg＝(M＋m)a，以小车和车上砝码为研究对象
得F＝Ma，求得
F＝·mg＝·mg＜mg。
本实验用小盘和砝码所受的总重力 mg 代替对小车的拉力，而实际上小车所受的拉力
要小于小盘和砝码所受的总重力。小盘和砝码的总质量远小于小车的质量，由此引起的误
差就较小。
2．摩擦力平衡不准确、质量的测量、打点计时器打点时间间隔不等、纸带上各点距离
的测量、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差。
七、注意事项
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，
并要让小车拖着纸带匀速运动。平衡了摩擦力后，不论实验中是改变小盘和砝码的总质量
2
还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力。
2．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，小盘和砝码所受的总重力才可视为小车受到的拉力。
考点一　教材原型实验
[例1]　(2021·河北中原名校联盟联考)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”
的实验中，采用如图甲所示的装置进行实验：
(1)已知打点计时器电源为频率为50 Hz 的正弦交变电流，若实验中打出的某一条纸带
如图乙所示，相邻两个计数点间还有四个点没有画出，x1＝3.13 cm，x4＝7.48 cm，由此可
以算出小车运动的加速度大小是____________ m/s2。
(2)利用测得的数据，可得到小车质量 M一定时，运动的加速度 a和所受拉力 F(F＝
mg，m为砂和砂桶质量，g为重力加速度)的关系图象如图丙所示。由此可知，直线段的斜
率k＝____________。在拉力 F较大时，aF 图线明显弯曲，产生误差。若不断增加砂桶中
砂的质量，aF 图象中各点连成的曲线将不断延伸，那么加速度 a的趋向值为____________
(用题中出现的物理量表示)。
[解析]　(1)相邻两个计数点的时间间隔是 T＝5×＝5×0.02 s＝0.10 s，采用逐差法可得
a＝＝1.45 m/s2。
(2)根据牛顿第二定律，有 a＝，所以 aF 图象的斜率 k＝。不断增加砂桶中砂的质量，
当砂桶中的质量远远大于小车质量时，小车的加速度趋近于重力加速度 g。
[答案]　(1)1.45　(2)　g
◆归纳提升
1．本实验存在系统误差。细绳的拉力小于砝码及桶的重力，当砝码及桶的质量远小于
木块及其上的砝码总质量时，误差才可以忽略。
2．为减小系统误差，可以在细绳上加上力传感器，这样就可以直接测出细绳的拉力，
即木块的合外力。
3
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