1、(对应学生用书P52)一、实验目的1学会用控制变量法研究物理规律；2验证牛顿第二定律；3掌握利用图象处理数据的方法,二、实验原理与方法1.验证牛顿运动定律的实验依据是牛顿运动定律，即FMa，当研究对象有两个以上的参量发生变化时，设法控制某些参量使之不变，而研究另外两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量法本实验中有力F、质量M和加速度a三个变量，研究加速度a与F及M的关系时，先控制质量M不变，讨论加速度a与力F的关系；然后再控制力F不变，讨论加速度a与质量M的关系2.实验中需要测量的物理量和测量方法是：小车及砝码的总质量M；用天平测出小车受到的拉力F认为等于托盘和砝码的总重力mg.小车的加速度a
2、利用纸带根据saT_2计算,三、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、重物、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、砝码四、实验步骤及数据处理1.用天平测出小车和砝码的总质量M，小盘和砝码的总质量m，把数值记录下来2.按如图所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车加牵引力,3.平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板反复移动木板的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再
3、放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码5.保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质量m记录下来，重复步骤4.在小桶内再放入适量砝码，记录下小盘和砝码的总质量m，再重复步骤4.6.重复步骤5两次，得到三条纸带,7在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值8.用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，作用力的大小F等于小盘和砝码的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比9.保持小盘和砝码的质量不变
4、，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比五、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,(对应学生用书P52)要点一注意事项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
5、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，要使尽可能多的点分布在所作直线上，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(1)应舍掉纸带上开头比较密集
6、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T0.1 s.,在本实验中，以下说法正确的是()A平衡摩擦力时，小桶应用细线通过定滑轮系在小车上，但小桶内不能装砂B实验中应始终保持小车和砝码的质量远远大于砂和小桶的质量C实验中如果用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车内砝码的总质量，描出相应的点在一条直线上时，即可证明加速度与质量成反比D平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过程中纸带也要受到阻力,答案BD,要点二牛顿第二定律的实验研究的方法1.控制变量法牛顿第二定律研究的是物体的加速度a与
7、物体所受的合外力F及物体的质量m之间的关系采取的方法是控制变量法，先控制物体的质量不变，研究a与F的关系，然后控制物体所受的合外力F不变，研究a与m的关系，最后研究a、F、m三者间的关系这样的方法叫做控制变量法控制变量法是研究多个物理量之间的关系常用的重要实验方法,在“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”实验中，某小组设计了如图所示的实验装置图中上下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细线，细线跨过定滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使小车同时开始运动，然后同时停止,(1)在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使_；在实验时，为减小系统误差，应使砝码盘和砝码的总
8、质量_小车的质量(选填“远大于”“远小于”或“等于”)(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小，能这样比较，是因为_解析(1)在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使小车与滑轮之间的细线水平(或与轨道平行)；实验时，为减小误差，应使砝码盘和砝码的总质量远小于小车的质量只有这样，才能认为小车所受的合外力近似等于砝码盘和砝码的总重力.,(对应学生用书P53)题型一实验数据的处理方法图象法，化曲为直的方法利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比，那么，x就应与1/y成正比因为在处理数据时，判断正比例图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单和
9、直观得多，所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理,例1(2011重庆理综)某同学设计了如图甲所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数.滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m，托盘和盘中砝码的总质量为m.实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10 m/s2.,(3)实验得到a与m的关系如图乙所示，由此可知_(取两位有效数字),图乙,题型二实验误差来源与分析(1)因实验原理不完善引起的误差本实验用重物重力(mM)g代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要小于重物
10、重力重物的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大；反之，重物质量越小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小因此，满足重物质量m远小于小车和砝码的总质量M的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差此误差可因mM而减小，但不可能消去此误差证明如下：小车和重物的受力情况如图所示,例2与打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常见计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间现利用图乙所示装置设计一个“探究物体运动的加速度与合外力、质量关系”的实验，图中NQ是水平桌面、PQ是一端带有滑轮的长木板，1、
11、2是固定在木板上的两个光电门(与之连接的两光电计时器没有画出)小车上固定着用于挡光的窄片K，让小车从木板的顶端滑下，光电门各自连接的计时器显示窄片K的挡光时间分别为t1和t2.,(1)用游标卡尺测量窄片K的宽度d(已知ld)，光电门1,2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为t1、t2，则窄片K通过光电门1的速度表达式v1_.(2)用米尺测量两光电门间距为l，则小车的加速度表达式a_.(3)该实验中，为了把砂和砂桶拉车的力当作小车受的合外力，就必须平衡小车受到的摩擦力，正确的做法是_ (4)实验中，有位同学通过测量，把砂和砂桶的重力当作小车的合外力F，作出aF图线，如图丙中的实线所示试分析：图线
12、不通过坐标原点O的原因是_；曲线上部弯曲的原因是_,(1)明确图象中截距、斜率的含义是解决此类问题的关键(2)在aF图象中和a1/M图象中，只要不满足小车质量Mm(m为砂桶和砂的质量)，就会出现图象弯曲，图象向F轴或1/M轴弯曲,(对应学生用书P54)1(2011阳江模拟)为了探究加速度与力的关系，使用如下图所示的气垫导轨装置进行实验其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录，滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为x，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：,(1)实验开始应先调
13、节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？答：_.(2)若取M0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是_Am15 g Bm215 gCm340 g Dm4400 g(3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，求得的加速度的表达式为_(用t1、t2、D、x表示),2(2011广州联考)某同学在做加速度和力、质量的关系的实验中，测得小车的加速度a和拉力F的数据如下表所示：(1)根据表中的数据在右图所示的坐标中作出aF图象；(2)图象的斜率的物理意义是_；(3)图象(或延长线)与F轴的截距的物理意义是_；(4)小车和砝码的
14、总质量为_ kg.,答案(1)见解析图 (2)小车和砝码的总质量的倒数(3)小车受到的阻力为0.1 N(4)1,3(2011南京模拟)某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图(a)所示为实验装置简图(交流电的频率为50 Hz)(1)图(b)所示为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为_ m/s2.(保留两位有效数字),答案见解析,4(2011浙江永嘉三校第一次联考)如图所示的实验装置可以探究加速度与物体质量、物体受力的关系小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m，小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为M.(1
15、)验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出aF图象，图象是一条过原点的直线,aF图象斜率的物理意义是_你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理？答：_.(填“合理”或“不合理”)本次实验中，是否应该满足Mm这样的条件？答：_(填“是”或“否”)；理由是_(2)验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：保持桶内沙子质量m不
16、变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系本次实验中，桶内的沙子总质量不变，故系统所受的合外力不变用图象法处理数据时，以加速度a为纵横，应该以_倒数为横轴,(2)向小车内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量Mm，而系统的合外力仍等于所悬挂沙桶的重力mg，保证了合外力不变,不必满足Mm这样的条件,5(2010山东)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
17、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.,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)_改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧秤示数F1的关系下列图象能表示该同学实验结果的是_,用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是_a可以改变滑动摩擦力的大小b可以更方便地获取多组实验数据c可以比较精确地测出摩擦力的大小d可以获得更大的加速度以提高实验精度,6(2011佛山联考)某研究性学习小组欲探究光滑斜面上物体下滑的加速度与物体质量及斜面倾角是否有关系实验室提供如下器材：A表面光滑的长木板(长度为L)；B.小车；C.质量为m的钩码若干个；D.方木块(备用于垫木板)；E.米尺；F.秒表(1)实验过程：第一步，在保持斜面倾角不变时，探究加速度与质量的关系实验中，通过向小车放入钩码来改变物体的质量，只要测出小车由斜面顶端滑至底端所用的时间t，就可以由公式a_求出a，某同学记录了数据如下表所示：,请先在如右图所示的坐标纸上建立适当的坐标轴后描点作图，然后根据所作的图线求出当地的重力加速度g_.进一步分析可知，光滑斜面上物体下滑的加速度与倾角的关系为_(2)该探究小组所采用的探究方法是_,
