牛顿第二定律实验报告
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. 三、实验器材
电磁打点计时器，一端附有滑轮的长木板，小车、纸带、沙袋、细绳、钩码、毫米刻度尺、导线、50Hz
.
四、实验步骤
1.用天平测量沙袋的质量0m 和小车的质量0M .
2.把一端附有定滑轮的长木板放在实验台上，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，使小车在收重力的情况下，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摩擦力平衡.在保证沙袋的质量大于小车质量的条件下，可以近似认为沙袋的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，挂上沙袋，先开始大点，再放车走，让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑打出一条纸带.计算沙袋的重力，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及小车质量，沙子质量填入表(一)中。
5.用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画点描线。
6.改变沙袋的质量，重复步骤4，并多做几次.
7.保持沙袋的质量，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.
8.用纵坐标表示加速度，横坐标表示沙袋质量，根据实验结果画点描线。
9.改变小车上砝码的个数，重复步骤7，并将所对应的质量和加速度填入表(一)中. 五、数据处理
1.打点计时器用50Hz 交流电源那么它的周期为0.02秒一点。
2.按纸条计算加速度时我们把六个点(五个间距)看成一个间距s,继续用邻差法计算出加速度a
1X 2X 3X 4X 5X 6X
邻差法:( 2X -1X )+(4X -3X )+(6X -5X )= 2
a 3T
（表一）
五、实验结论：
1.________________________________________________________________。
2.________________________________________________________________。
六、误差分析
(1)本实验误差的主要来源包括：
1.斜木板的摩擦力是否抵消掉了.
2.小车质量和沙袋质量时候是否合理.
3.打点计时器纸条和计时器间是否有摩擦力.
(2)减小误差的方法：
1.每一次做实验调消除摩擦力，试车换换的匀速直线运动.
2.小车质量必须大于沙袋质量，此时沙袋失重是对沙袋拉力的影响最小.
3.实验开始必须把大点计时器固定在台阶上，与木板在一条直线上，放纸条是必须是水平与边缘无接触的放好,看纸条是否放在了复写纸的上面还是下面.
利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验报告中国石油大学华东 利用气垫导轨验证牛顿第二定律 】 【摘要】：气垫导轨是为研究无摩擦现象而设计的力学实验设备，在导轨表面分布着许多小孔，压缩空气从这些小孔中喷出，在导轨和滑块之间形成了月0.1mm厚的空气层，即气垫，由于气垫的形成，滑块被托起，使滑块在气垫上作近似无摩擦的运动。利用气垫导轨，再配以光电计时系统和其他辅助部件，可以对做直线运动的物体（即滑块）进行许多研究，如测定速度、加速度、验证牛顿第二定律，研究物体间的碰撞，研究简谐运动的规律等。 【关键词】 气垫导轨、通用计数器、测速的试验方法、牛顿第二定律、控制变量法、导轨调平实验回顾【实验目的】 1．熟悉气垫导轨和MUJ-613电脑式数字毫秒计的使用方法。 2．学会测量滑块速度和加速度的方法。 3．研究力、质量和加速度之间的关系，通过测滑块加速度验证牛顿第二定律。 【实验原理】 （一） 仪器使用原理1．气垫导轨如图4-1所示，气垫导轨是一种摩擦力很小的实验装置，它利用从导轨表面小孔喷出的压缩空气，在滑块与导轨之间形成很薄的空气膜，将滑块从导轨面上托起，使滑块与导轨不直接接触，滑块在滑动时只受空气层间的内摩擦力和周围空气的微弱影响，这样就极大地减少了力学实验中难于克服的摩擦力的影响，滑块的运动可以近似看成无摩擦运动，使实验结果的精确度大为提高。 图4-1 气垫导轨装置图 2．MUJ-613电脑式数字毫秒计在用气垫导轨验证牛顿第二定律实验中，我们采用MUJ-613电脑式数字毫秒计测量时间。利用它的测加速度程序，可以同时测量出滑块通过两个光电门的时间及滑块通过两个光电门之间的时间间隔。 使用计数器时，首先将电源开关打开（后板面），连续按功能键。使得加速度功能旁的灯亮，气垫导轨通入压缩空气后，使装有两个挡光杆的滑块依次通过气垫导轨上的两个光电门计数器按下列顺序显示测量的时间： 显示字符 含 单位1 通过第一个光电门的速度 cm/s(亮)××·×× 2 通过第二个光电门的速度 cm/s(亮)××·×× 1—2 在第一和第二个光电门之间运动的加速度
中国石油大学（华东）现代远程教育 实验报告 课程名称：大学物理(一) 实验名称：验证牛顿第二定律――气垫导轨 实验（一） 实验形式：在线模拟+现场实践 提交形式：提交书面实验报告 学生：学号： 年级专业层次： 学习中心：
提交时间：年月日 一、实验目的 1．了解气垫导轨的构造和性能，熟悉气垫导轨的调节和使用方法。 2．了解光电计时系统的基本工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。 3．掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。 4．从实验上验证F=ma的关系式，加深对牛顿第二定律的理解。 5．掌握验证物理规律的基本实验方法。 二、实验原理 1．速度的测量 一个作直线运动的物体，如果在t~t+Δt时间通过的位移为Δx（x~x+Δx），则该物 体在Δt时间的平均速度为，Δt越小，平均速度就越接近于t时刻的实际速度。当Δt→0时，平均速度的极限值就是t时刻（或x位置）的瞬时速度 （1） 实际测量中，计时装置不可能记下Δt→0的时间来，因而直接用式（1）测量某点的速度就难以实现。但在一定误差围，只要取很小的位移Δx，测量对应时间间隔Δt，就可以用平均速度近似代替t时刻到达x点的瞬时速度。本实验中取Δx为定值（约10mm），用光电计时系统测出通过Δx所需的极短时间Δt，较好地解决了瞬时速度的测量问题。2．加速度的测量 在气垫导轨上相距一定距离S的两个位置处各放置一个光电门，分别测出滑块经过这两个位置时的速度v1和v2。对于匀加速直线运动问题，通过加速度、速度、位移及运动时间之间的关系，就可以实现加速度a的测量。 （1）由测量加速度 在气垫导轨上滑块运动经过相隔一定距离的两个光电门时的速度分别为v1和v2，经过两个光电门之间的时间为t21，则加速度a为 （2） 根据式（2）即可计算出滑块的加速度。 （2）由测量加速度 设v1和v2为滑块经过两个光电门的速度，S是两个光电门之间距离，则加速度a为
在“验证牛顿第二定律”实验中为什么要求M >> m 在“验证牛顿第二定律”实验中，研究加速度与力的关系时得到如图所示的图像，试分析其原因。 探究加速度的实验中为什么小车及其中砝码的质量要远大于托盘及其中砝码的质量 错误解法：mg-T=ma T=Ma 代入上式 mg-Ma=ma 化简a=〔m/（M+m）〕g 因此要使〔〕中的式子接近于1 分子分母同除以m，所以M不应该远小于m嘛！ 。 【分析】在做a - F关系实验时，用托盘及其中砝码重力mg代替了小车所受的拉力F，如图所示。事实上，托盘及其中砝码的重力mg与小车所受的拉力F是不相等的。这是产生实验系统误差的原因，为此，必须根据牛顿第二定律分析mg和F在产生加速度问题上存在的差别。 由图像经过原点知，小车所受的摩擦力已被平衡。设小车实际加速度为a，由牛顿第二定律可得：mg=（m+M）a，即a=mg/（M+m） 若视F = mg，设这种情况下小车的加速度为a′，则a′= mg/M。 在本实验中，M保持不变，a'与mg（F）成正比，而实际加速度a与mg成非线性关系，且m越大，图像斜率越小。理想情况下，加速度a与实际加速度a差值为△a=mg/M-mg/（M+m）=m2g/[M（M+m）]=g/[M（M/m2+1/m）] 上式可见，m取不同值，△a不同，m越大，△a越大，当M >> m时，a≈a'，△a→0，这就是要求该实验必须满足M >> m的原因所在。 本题误差是由于当托盘及其中砝码质量较大时，不能很好满足M >> m造成的。 【点评】本实验的误差来源：因原理不完善引起的误差，用托盘及其中砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要小于托盘及其中砝码的总重力，这个托盘及其中砝码的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大，反之托盘及其中砝码的总质量越小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小。因此满足托盘及其中砝码的总质量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。此误差可因为M >> m而减小，但不可能消去此误差。
实验：验证牛顿第二定律 1．“验证牛顿运动定律”的实验中，以下说法正确的是( ) A．平衡摩擦力时，小盘应用细线通过定滑轮系在小车上 B．实验中应始终保持小车和砝码的质量远远大于小盘和砝码的质量 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 解析：平衡摩擦力时，细线不能系在小车上，纸带必须连好，故A错D对；小车和砝码的总质量应远大于小盘和砝码的总质量，故B对；若横坐标表示小车和车内砝码的总质量，则a－M图象是双曲线，不是直线，故C错．答案： BD 2．(2011年三明模拟)用如图甲所示的装置做“验证牛顿第二定律”实验，甲同学根据实验数据画出的小车的加速度a和小车所受拉力F的图象为图中的直线Ⅰ，乙同学画出的a－F图象为下图中的直线Ⅱ.直线Ⅰ、Ⅱ在纵轴或横轴上的截距较大，明显超出了误差范围，下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释，其中可能正确的是( ) A．实验前甲同学没有平衡摩擦力 B．甲同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了 C．实验前乙同学没有平衡摩擦力 D．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了 解析：由直线Ⅰ可知，甲同学在未对小车施加拉力F时小车就有了加速度，说明在平衡摩擦力时，把木板的末端抬得过高了，B正确，A错误；由直线Ⅱ可知，乙同学在对小车施加了一定的拉力时，小车的加速度仍等于零，故实验前乙同学
没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，C正确，D错误． 答案：BC 3．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两小车同时开始运动，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质量________(选填“远大于”、“远小于”或“等于”)小车的质量． (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，使细线与水平轨道平行，在实验时，为使砝码和盘的总重力近似等于细线的拉力，作为小车所受的合外力，必须满足砝码和盘的总质量远小于小车的质量． (2)因为两小车同时开始运动，同时停止，运动时间相同，由s＝1 2 at2可知，a 与s成正比． 答案：(1)小车与滑轮之间的细线与轨道平行远小于 (2)两车从静止开始匀加速直线运动，且两车运动的时间相同，其加速度与位移成正比 4．如图为“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．
《验证牛顿第二定律》实验 【重点知识提示】 1．实验目的、原理 实验目的验证牛顿第二定律，即物体的质量一定时，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．实验原理：利用砂及砂桶通过细线牵引小车做加速运动的方法，采用控制变量法研究上述两组 关系．如图4—6所示，通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，当M 和m 做加速运动时，可以得到 g m M m a += m M M mg T +?= 当M>>m 时，可近似认为小车所受的拉力T 等于mg ． 2．平衡摩擦力．．．．． ：在长木板的不带滑轮的 一端下面垫上一块薄木板，反复移动其位置， 直至后面的纸带连好并不挂砂桶的小车刚好在斜面上保持匀速 运动为止． 3．注意事项 该实验原理中T=m M M mg +?，可见要在每次实验中均要求．．．．．．．．．．．．M>>m ．．．．，．只有这样，才能使牵引小车的牵引力近似等于砂及砂桶的重力． 在平衡摩擦力时，垫起的物体的位置要适当，长木板形成的倾角既不能太大也不能太小，同时每次改变M 时，不再重复平衡摩擦力． 【例1】 在《验证牛顿第二定律》的实验中，在研究作用力一定时加速度与质量成反比的结论时，下列说法中错误的是 ( ) A ．平衡摩擦力时，应将装砂的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上 B ．每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力 C ．实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源 D ．小车运动的加速度，可从天平测出装砂小桶和砂的质量m 及小车质量M ，直接用公式a=M mg 求出(m< 牛顿第二定律实验 1．(8分)某探究学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置：水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接另一端跨过定滑轮挂上砝码盘．实验时，调整轨道的倾角正好能平衡小车所受的摩擦力(图中未画出)． (1)实验中小车所受的合力 (填“等 于”、“大于”或“小于”)力传感器的示数，该实验 (填“需要”或“不需要”)满足砝码和砝码盘的总质 量远小于小车的质量。 (2)已知小车、传感器和挡光板的总质量为M， 挡光板的宽度为L，光电门l和2的中心距离为s．在某次实验过程中，力传感器的读数为F，小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2(小车通过光电门2后，砝码盘才落地)．则该实验要验证的式子是F= 。 2．“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示． (1)保持小车的质量M不变，改变所挂砝码的数量，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关系图线如图乙所示．此图线的AB段明显偏离直线，造成 此误差的主要原因是： (2)该同学在实验中保持拉力不变，得到了小车加速度随质量变化的多组数据,如下表所示： 请你在图丙所示的方格纸中建立合适坐标并画出能直观反映出加速度与质量关系的图线． (3)图丁所示为实验中打出的一条纸带，所用电源的频率是50Hz，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如图中所示．由该纸带可求出小车的加速度a= m/s2．(结果保留两位有效数字) 3．某实验小组用如图甲所示的装置测量木块与木板间的动摩擦因数μ，提供的器材有：带定滑轮的长木板，打点计时器，交流电源，木块，纸带，米尺，8个质量均为20g 的钩码以及细线等．实验操行过程如下： A．长木板置于水平桌面上，带定滑轮的一端伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上并与电源连接，纸带穿过打点计时器并与木块相连，细线一端与木块相连，另一端跨过定滑轮挂上钩码，其余钩码都叠放在木块上； B．使木块靠近打点计时器，接通电源，释放木块，打点计时器在纸带上打下一系列点，记下悬挂钩码的个数n； C．将木块上的钩码逐个移到悬挂钩码端，更换纸带，重复实验操作步骤B； D．测出每条纸带对应木块运动的加速度a，实验数据如表乙所示． (1)实验开始时，必须调节滑轮高度，保证． (2)根据表乙数据，在图丙中作出a-n图象；由图线得到μ= (取g=10m/s2)，还可求的物理量是。(只需填写物理量名称)． 大学物理实验教案 实验名称：牛顿第二定律的验证 实验目的： 1．熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。 2．熟悉光电计时系统的工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。 3．学会测量物体的速度和加速度。 4．学习在气垫导轨上验证牛顿第二定律。 实验仪器： 气垫导轨（L-QG-T-1500/5.8） 滑块 电脑通用计数器（MUJ-ⅡB ） 电子天平 游标卡尺 气源 砝码 实验原理： 力学实验最困难的问题就是摩擦力对测量的影响。气垫导轨就是为消除摩擦而设计的力学实验的装置，它使物体在气垫上运动，避免物体与导轨表面的直接接触，从而消除运动物体与导轨表面的摩擦，让物体只受到几乎可以忽略的摩擦阻力。利用气垫导轨可以进行许多力学实验，如测定速度、加速度、验证牛顿第二定律、动量守恒定律、研究简谐振动等。 根据牛顿第二定律，对于一定质量m 的物体，其所受的合外力F 和物体所获得的加速度a 之间存在如下关系： ma F = （1） 此实验就是测量在不同的F 作用下，运动系统的加速度a ，检验二者之间是否符合上述关系。 在调平导轨的基础上，测出阻尼系数b 后，如下图所示，将细线的一端结在滑块上，另一端绕过滑轮挂上砝码0m 。此时运动系统（将滑块、滑轮和砝码作为运动系统）所受到的合外力为： c a g m v b g m F )(00-?--= （2） 式中平均速度v （单位用s m /）与粘性阻尼常量b 之积为滑块与导轨间的粘性阻力， c a g m )(0-为滑轮的摩擦阻力，暂时不考虑这项。 在此方法中运动系统的质量m ，应是滑块质量1m ，全部砝码质量（包括砝码托）∑m 以 怀化学院 大学物理实验实验报告系别数学系年级2010专业信息与计算班级10信计3班姓名张三学号**组别1实验日期2011-4-10 实验项目:验证牛顿第二定律 1.气垫导轨的水平调节 可用静态调平法或动态调平法，使汽垫导轨保持水平。静态调平法：将滑块在汽垫上静止释放，调节导轨调平螺钉，使滑块保持不动或稍微左右摆动，而无定向运动，即可认为导轨已调平。 2.练习测量速度。 计时测速仪功能设在“计时2”，让滑块在汽垫上以一定的速度通过两个光电门，练习测量速度。 3.练习测量加速度 计时测速仪功能设在“加速度”，在砝码盘上依次加砝码，拖动滑块在汽垫上作匀加速运动，练习测量加速度。 4.验证牛顿第二定律 （1）验证质量不变时，加速度与合外力成正比。 用电子天平称出滑块质量滑块m ，测速仪功能选“加速度”， 按上图所示放置滑块，并在滑块上加4个砝码(每个砝码及砝码盘质量均为5g)，将滑块移至远离滑轮一端，使其从静止开始作匀加速运动，记录通过两个光电门之间的加速度。再将滑块上的4个砝码分四次从滑块上移至砝码盘上，重复上述步骤。 （2）验证合外力不变时，加速度与质量成反比。 计时计数测速仪功能设定在“加速度”档。在砝码盘上放一个砝码（即 g m 102=），测量滑块由静止作匀加速运动时的加速度。再将四个配重块(每个配重 块的质量均为m ′=50g)逐次加在滑块上，分别测量出对应的加速度。 【数据处理】 (数据不必在报告里再抄写一遍，要有主要的处理过程和计算公式，要求用作图法处理的应附坐标纸作图或计算机打印的作图) 1、由数据记录表3，可得到a 与F 的关系如下： 由上图可以看出，a 与F 成线性关系，且直线近似过原点。 上图中直线斜率的倒数表示质量，M=1/=172克，与实际值M=165克的相对误差： %2.4165 165 172=- 可以认为，质量不变时，在误差范围内加速度与合外力成正比。 实验五牛顿第二定律 实验器材 朗威DISLab数据采集器、位移传感器、DIＳLａb力学轨道、DIＳLab力学轨道小车、滑轮、砝码、细绳、转接器、支架、计算机。 实验装置 类似图1-1，但需在轨道一端安装滑轮，并使用吊有砝码的细绳通过滑轮牵引轨道小车（图5－1、图５-2)。 图1-1 实验装置 图5-1 用细绳牵引小车 图5-2 滑轮的使用 实验操作 1．将位移传感器接收器固定在轨道的一端,连接到数据采集器第一通道;将位移传感器发射器固定到小车上。 2．进行摩擦力平衡调整。步骤如下： a ．点击教材专用软件主界面上的实验条目“从ｖ-t 图求加速度”，打开该软件； b.将小车放到斜面上，打开位移传感器发射器电源开关，点击“开始记录”，释放小车; ｃ.调节轨道的倾角,用实验三的方法测量小车的加速度。当加速度接近零时,可以认为小车重力沿斜面的分力已与小车和轨道之间的摩擦力平衡,见图5-3。 3．返回教材专用软件主界面,点击实验条目“牛顿第二定律”，打开该软件。 4．将细绳的一端拴在小车上,另一端通过滑轮拴在放有砝码的小桶上。 5．在窗口下方的表格内输入小车的质量及拉力数值（砝码重量＋小桶重量)。 6．将小车放到轨道上,打开位移传感器发射器电源开关,点击“开始记录”，释放小车，使小车在砝码的拉动下开始运动。待小车停止运动,点击“停止记录”。 7．拖动窗口下方的滚动条，将实验获得的v-ｔ图线置于显示区域中间,点击“选择区域”,选择需要研究的一段v-t 图线。 8．软件窗口下方的表格中自动显示该段ｖ－t 图线对应的加速度（图5-4)。 9．保持小车质量不变，改变拉力，重复步骤５、６，可得到另几组数据（图5-5)。 10．点击“ａ-Ｆ图像”按钮，即得到加速度与拉力关系图线（图５－6)。 图5-3 平衡摩擦力 图 5-4 研究区域内v-t 图线对应的加速度 图5-5 质量不变，改变拉力测得实验数据 专题六 《验证牛顿运动定律》 1某同学设计了一个探究加速a 度与物体所受合力F 及质量m 的关系实验。实验装置简图如图14－12所示，A 为小车，B 为打点计时器，C 为装有砂的砂桶，D 为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F 等于砂和砂桶总重量，小车运动加速度a 可用纸带上点求得： 图14－12 (1)保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m ，分别得到小车加速度a 与质量m 及对应的m 1 数据如下表： 物理量建立坐标系，并作出图线。 图14－13 从图线中得到F 不变时小车加速度a 与质量 m 1 之间定量关系式是______。 (2)保持小车质量不变，改变砂和砂桶重量，该同学根据实验数据作出了加速度a 与合力F 图线如图14－14所示，该图线不通过原点，明显超出偶然误差范围，其主要原因是______。 2某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。 ①下列做法正确的是___________（填字母代号） A ．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行 B ．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴木块上 C ．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源 D ．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度 ②为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量木块和木块上砝码的总质量（填“远大于”、“远小于”或“近似等于”） ③甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a 与拉力F 的关 系，分别得到图中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m 甲、m 乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲，μ乙，由图可知，m 甲m 乙，μ甲μ乙。（填“大于”、“小于”或“等于”） 32012海淀二模）用如图甲所示装置做“探究物体的 加速度跟力的关系”的实验。实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力， 用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动 的加速度。 ①实验时先不挂钩码，反复调整垫木的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是。 ②图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从 比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A 、B 、C 、D 、E ，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A 点之间的距离，如图乙所示。已知打点计时器接在频率为50Hz 的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a =____________m/s 2。（结果保留两位有效数字） ③实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出a -F 关系图线，如图丙所示。此图线的AB 段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是。（选填下列选项的序号） 木 甲 乙 丙 物理必修1第四章牛顿运动定律班级: 姓名: 使用时间 第三节探究牛顿第二定律 课型：实验课制作人: 审核：高一物理备课组 1?知识与技能 (1)以实验为基础，通过观察、测量、归纳得到物体的加速度跟它的质量及所受外力的关系?培养学生的实验能力、概括能力和分析推理能力。 (2)认识到实验在物理学中的地位和作用。 2.过程与方法 (1)采用控制变量的方法，通过实验对a、F、m三个物理量间的数量关系进行定量研究；运用列表法处理数据；根据实验数据，归纳、推理实验结论(定量分析)。 (2)经历科学探究过程，认识科学探究的意义，培养学生科学探究的意识和方法。 3?情感态度与价值观 (1 )体验探索牛顿第二定律过程中的艰辛与喜悦，养成科学严谨的治学态度。 (2 )学会与他人合作、交流，具有团队意识和团队精神。 1、实验器材：小车，一端带有定滑轮的平板，钩码，砝码若干，细线，打点计时器，纸带，刻度尺 2、实验原理：以小车为研究对象，小车的运动可以通过研究与小车相连的纸带上的点的运动而得出；小车的拉力由绳子下面悬挂的钩码的重力来确定；采用控制变量法研究三个物理量间的数量关系。 3、加速度、质量、力三者之间的关系，采用的方法是__________________ 4.实验时为什么要平衡摩擦力？ _____________________________________________ 怎样平衡摩擦力？____________________________________________________ 5?如果a-F, a-1/m图象，并不严格地位于某条直线上，或直线并非准确地通过原点，可能的原因是 6、实验中我们采取了近似处理：近似认为小车的拉力大小等于绳子下面悬挂的钩码的重力。这要求钩码的质量远小 于小车的质量。 【探究一】加速度与力的关系 （一）实验步1。用天平测量出小车的质量。 2将打点计时器固定在平板的一端，同时把这一端适当垫高，直到小车在平板上均匀下滑为止。 3调节平板另一端定滑轮的高度，保证细线与平板平行。在细线的一段连接一个钩码，小车和打点计时器连接好纸带。 4打开电源，让小车从顶端自由滑下，得到一条纸带。 5保持小车质量不变，改变钩码质量，进行第四步的相同操作，得到又一条纸带。重复三到五次，然后对所得纸带进行分析。 （二）数据分析：设计表格，把同一物体在不同力作用下的加速度填在下面的表格中 实验：验证牛顿第二定律 一、实验原理 1．如图所示装置，保持小车质量M 不变，改变小桶内砂的质量m ，从而改变细线对小车的牵引力F （当．．m ．<<．．M ．时，．．F=mg ．．．．近似成立）．．．．．，用打点计时器测出小车的对应加速度a ,由多组a 、F 数据作出加速度和力的关系a — F 图线，验证加速度是否与外力成正比。 2．保持小桶和砂的质量不变，在小车上加减砝码, 改变小车的质量M ，测出小车的对应加速度a , 由多组a 、M 数据作出加速度和质量倒数的关系m a 1 -图线, 验证加速度是否与质量成反比。 ▲平衡摩擦力．．．．．的原理：（在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，使长木板倾斜，便用重力的分力来平衡摩擦力。） 对小车受力分析，小车受到G 、N 和摩擦力f 三力作用，处于平衡状态时， f G x =，y G N =。故当木板倾斜一定角度时，可以用重力的分力x G 来平衡摩擦 力。故验证牛二时，小车受到的拉力F 即为小车的合力。 二、实验器材 小车，砝码，小桶，砂, 细线，附有定滑轮的长木板,垫块，电火花打点计时器，220V 交流电源, 导线两根, 纸带,托盘天平及砝码，米尺。 三、实验步骤 1．用调整好的天平测出小车和小桶的质量M 和m ，把数据记录下来。 2．按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂小桶用的细线系在小车上，即不给小车加牵引力。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3．平衡摩擦力．．．．．：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，反复移动垫块的位置，直至轻轻推一推小车，小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）。 4．在小车上加放砝码，小桶里放入适量的砂，把砝码和砂的质量M'和m'记录下来。把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶,接通电源,放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,取下纸带,在纸带上写上编号。 5．保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤4再做5次实验。 6．用逐差法．．． 算出每条纸带对应的加速度的值。 7．用纵坐标表示加速度a ，横坐标表示作用力F ，即砂和桶的总重力(m+m')g ，根据实验结果在坐标平面上描出相应的点，作图线。若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象质量不变时其加速度与它所受作用力成正比。 8．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，并做好记录，求出相应的加速度,用纵坐标表示加速度a ，横坐标表示小车和车内砝码总质量的倒数 M M ' +1 ,在坐标平面上根据实验结果描出相应的点并作图线，若图线为一条过原点的直线,就 证明了研究对象所受作用力不变时其加速度与它的质量成反比。 四、注意事项 1．砂和小桶的总质量不要超过小车和砝码的总质量的1/10，为什么？ 设，小车和砝码总质量为M ，而M 和m 连接在一起运动， 有相同的加速度为a ，求绳子对小车的拉力F 。 解：对M 和m 组成的整体受力分析（只分析外力）如图1，则mg =合 F ， 由牛二得：m )a (M +=合 F ，即m mg m M F a += += M 合 对小车受力分析(忽略摩擦力)如图2，则F =合F 由牛二得：m Mmg F += ==M Ma F 合 1 图m M 2 图G N f x y Gx Gy 验证牛顿第二定律实验 1、为了更直观地反映物体的加速度a与物体质量m的关系，往往用二者的关系图象表示出来，该关系图象应选用（） A．a-m图象B．m-a图象C．a-1/m图象D．1/m-a图象 2、在本实验中，下列说法正确的是（） A、平衡摩擦力时，小桶应用细线通过定滑轮系在小车上，但小桶内不能装沙 B、实验中无需始终保持小车和砝码的质量远远大于沙和小桶的质量 C、实验中如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 3、在“探究加速度与作用力的关系”的实验中，有位同学按照图3-3-6的装置（将长木板平放在水平桌面上）做五次实验.他在做第一次实验时，钩码总质量为m，小车质量M=30m，以后每次增加一个钩码，这五次实验中，若用钩码的总重力表示绳子的拉力F，则第_____次实验的误差较大；按这五组数据画出的a-F图像是图3-3-7中的______图；该图象存在截距的原因是______；图线斜率的物理含义是______。. 4、在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时,采用如图3-3-8所示的实验装置，小车及车中的砝码质量用M表示，盘及盘中的砝码质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计数器打上的点计算出： (1)当M与m的大小关系满足__________时才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力. (2)一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定，探究做加速度与质量的关系，以下做法错误的是：（） A、平衡摩擦力时，应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上 B、每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力 C、实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源 D、小车运动的加速度可用天平测出m以及小车质量M，直接用公式a＝mｇ/Ｍ求出. （3）在保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，二位同学得到的a―Ｆ关系 分别如图3-3-9中的甲、乙所示（a是小车的加速度，Ｆ是细线作用于小车的拉力）.其原因 验证牛顿第二定律 1.（10分）“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。 （1）在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸袋如图乙所示。计时器打点的时间间隔为.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） （2）平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘，然后每次从小车上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： 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的关系图像. . （3）根据提供的试验数据作出的a-F图线，请说明图像不过原点主要原因。答案：(1) 也算对) ；（2）（见图）；（3）未计入砝码盘的重力。 解析：（1）处理匀变速直线运动中所打出的纸带，求解加速度用公式2at x =?，关键弄清公式中各个量的物理意义，x ?为连续相等时间内的位移差，t 为连需相等的时间间隔，如果每5个点取一个点，则连续两点的时间间隔为t =，=?x （）210-?m ，带入可得加速度a =s 2。也可以使用最后一段和第二段的位移差求解，得加速度a =s 2. （2）根据图中的数据，合理的设计横纵坐标的刻度值，使图线倾斜程度太小也不能太大，以与水平方向夹角45°左右为宜。由此确定F 的范围从0设置到1N 较合适，而a 则从0到3m/s 2较合适。设好刻度，根据数据确定个点的位置，将个点用一条直线连起来，延长交与坐标轴某一点。如图所示。 （3）处理图象问题要注意图线的斜率、交点、拐点、面积等意义，能正确理解这些量的意义则很多问题将会迎刃而解。与纵坐标相交而 不过原点，该交点说明当不挂砝码时，小车仍由加速度，即绳对小车仍有拉力，从此拉力的来源考虑很容易得到答案，是因为砝码盘的重力，而在（2）问的图表中只给出了砝码的总重力，而没有考虑砝码盘的重力。 2. 某同学设计了一个探究小车的加速度a 与小车所受拉力F 及质量m 关系的实验，图（a ）为实验装置简图．（所用交变电流的频率为50Hz ） （1）图（b ）为某次实验得到的纸带，实验数据如图，图中相邻计数点之间还有4个点未画出，根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s 2．（保留三位有效数字） （2）保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m ，分别得到小车加速度a 与质量m 及对应的 m 1 ，数据如下表： : 实验次数 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度a /m ·s –2 ？ 学生实验：《验证牛顿第二定律》课堂作业 一、方案设计 1、如何测定加速度a与作用力F、与物体质量m之间的关系？ 2、本实验中的研究对象是（填“小钩码”或“配重片”或“小车”） 3、在实验中a、m是的加速度和质量；F是指受到的力，。 4、实验中a用测定；m用测定；F用的重力替代小车受到的拉力。如果实验室中没有天平，思考用传感器能测量物体的质量。 5、通过改变的个数来达到改变小车所受的拉力，通过增加的个数来改变小车的质量。 6、在下面的实验装置图中写出各器材的名称 7、在实验中，如何保证小车受到的F合等于绳子的拉力F拉？ 8、为了保证绳子的F拉尽可能等于小钩码得重力 ,本实验应该注意小钩码得质量要尽可能的（（填“大一些”或“小一些”） 实验1：用DIS验证加速度与合外力的关系 一、实验目的： 二、实验器材： 三、实验步骤： 二、实验结论： 三、问题：实验中加速度是通过点击按钮得到的。 实验2：用DIS验证加速度与质量的关系 1、实验目的： 2、实验器材： 3、实验步骤：（简述） 4、实验结论： 5、根据实验数据作出的a- m图是一条（填“向上”或“向下”）的（填直线或曲线）。为了证明它就是一条反比例曲线本实验采用的方法是。 （即根据现有数据应该再补作一条） 6、思考：在利用DIS实验系统,研究加速度与外力及质量间的关系中，我们采用___________的研究方法。如果在实验中得到的是如上图（3-11）所示的图像，则说明实验过程中出现的问题是：____________________________________________. 图3－11 7、一质量为m的木块放在粗糙的水平面上，当用水平力F拉它是加速度为a，那末用2F的水 平力拉它时，木块的加速度将（） A等于2a B 小于2a C 大于2a D 在a与2a之间 图3－12 精心整理 专题六《验证牛顿运动定律》 1某同学设计了一个探究加速a 度与物体所受合力F 及质量m 的关系实验。实验装置简图如图14－12所示，A 为小车，B 为打点计时器，C 为装有砂的砂桶，D 为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F 等于砂和砂桶总重量，小车运动加速度a 可用纸带上点求得： 图14－12 (1)保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m ，分别得到小车加速度a 与质量m 及对应的m 1 数据如 乙32012海淀二模）用如图甲所示装置做“探究物体的加速 度跟力的关系”的实验。实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车 后端拖动的纸带测出小车运动的加速度。 ①实验时先不挂钩码，反复调整垫木的左右位置，直到 小车做匀速直线运动，这样做的目的是。 ②图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A 、B 、C 、D 、E ，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A 点之间的距离，如图乙所 甲 示。已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a=____________m/s2。（结果保留两位有效数字） 根据测得的多组数 第二定律”的实验中，保持小车质量一定时，验证小车加速度a 与合力F的关系。 ①除了电火花计时器、小车、砝码、砝码盘、细线、附有定滑轮的长木板、垫木、导线 及开关外，在下列器材中必须使用的有_________（选填选项前的字母）。 A B C D E A B C 验数据做出的a－F图像如图丁中的1、2、3所示。下列分 析正确的是_____（选填选项前的字母）。 A．出现图线1的原因可能是没有平衡摩擦力 B．出现图线2的原因可能是砝码和砝码盘的质量不合适 C．出现图线3的原因可能是在平衡摩擦力时长木板的倾斜度过大 ⑤在本实验中认为细线的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力 m g，由此造成的误差是______（选填“系统误差”或“偶 乙 丙 丁 乙 关于“验证牛顿第二定律实验”的三个问题 问题1. 在“验证牛顿第二定律”的实验中，小车包括砝码的质量为什么要远大于砂和砂桶的总质量。 分析：在做 关系实验时，用砂和砂桶重力mg 代替了小车所受的拉力F ，如图1所 示： 而砂和砂桶的重力mg 与小车所受的拉力F 是并不相等．这是产生实验系统误差的原因，为此，必须根据牛顿第二定律分析mg 和F 在产生加速度问题上存在的差别． 实验时可得到加速度与力的关系的图像，如图2所示，由图像经过原点知，小车所受的摩擦力已被平衡．设小车实际加速度为a ，由牛顿第二定律可得： ()mg M m a =+ 即 () mg a M m =+ 若视 F ma =，设这种情况下小车的加速度为 a '，则 mg a M '=．在本实验中，M 保持不变，与()mg F 成正比，而实际加速度a 与mg 成非线性关系，且m 越大，图像斜率越小。理想情况下，加速度a 与实际加速度差值为 图１ 图２ 221()()m g mg mg g a M M M m M M m M m m ?=-==+++ 上式可见，m 取不同值， a ?不同，m 越大，a ?越大， 当m M 时，a a '≈， 0a ?→，这就是要求该实验必须满足m M 的原因所在． 由图２还可以可以看出，随着()F mg 的增大，加速度的实验值与理想值之间的差别越来越大. 本实验是因原理不完善引起的误差，实验用砂和砂桶的总重力mg 代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要小于砂和砂桶的总重力，这个砂和砂桶的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大，反之砂和砂桶的总质量越小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小．即此误差可因为 m M 而减小，但不可能消去此误差． 问题2：在利用打点计时器和小车做“验证牛顿第二定律”的实验时，实验前为什么要平衡摩擦力？应当如何平衡摩擦力？ 分析：牛顿第二定律表达式 F ma =中的F ，是物体所受的合外力，在本实验中，如果不采用一定的办法平衡小车及纸带所受的摩擦力，小车所受的合外力就不只是细绳的拉力，而应是细绳的拉力和系统所受的摩擦力的合力．因此，在研究加速度a 和外力F 的关系时，若不计摩擦力，误差较大，若计摩擦力，其大小的测量又很困难；在研究加速度a 和质量m 的关系时，由于随着小车上的砝码增加，小车与木板间的摩擦力会增大，小车所受的合外力就会变化（此时长板是水平放置的），不满足合外力恒定的实验条件，因此实验前必须平衡摩擦力 应如何平衡摩擦力？怎样检查平衡的效果？有人是这样操作的；把如图3所示装置中的长木板的右端垫高一些，使之形成一 图3 2014高考物理实验专项训练（验证牛顿第二定律） 1.用如图（甲）所示的实验装置来年验证牛顿第二定律，为消除摩擦力的影响，实验前必须平衡摩擦力. （1）某同学平衡摩擦力时是这样操作的：将小车静止地放在水平长木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图（乙），直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止。请问这位同学的操作是否正确？如果不正确，应当如何进行？ 答：. （2）如果这位同学先如（1）中的操作，然后不断改变对小车的拉力F，他得到M（小车质量）保持不变情况下的a—F图线是下图中的（将选项代号的字母填在横线上）. （3）打点计时器使用的交流电频率f=50Hz. 下图是某同学在正确操作下获得的一条纸带，A、B、C、D、E每两点之间还有4个点没有标出.写出用s1、s2、s3、s4以及f来表示小车加速度的计算式：a= . 根据纸带所提供的数据，算得小车的加速度大小为m/s2（结果保留两位有效数字）. 2.如图(a)所示，小车放在斜面上，车前端拴有不可伸长的细线，跨过固定在 斜面边缘的小滑轮与重物相连，小车后面与打点计时器的纸带相连.开始时， 小车停在靠近打点计时器的位置，重物到地面的距离小于小车到滑轮的距离. 启动计时器，释放重物，小车在重物牵引下，由静止开始沿斜面向上运动， 重物落地后，小车会继续向上运动一段距离.打点计时器使用的交流电频率为 50Hz. 图（b）中a、b、c是小车运动纸带上的三段，纸带运动方向如图箭头所示. (1)根据所提供的纸带和数据，计算打c段纸带时小车的加速度大小为m/s2（计算结果保留两位有效数字）. (2) 打a段纸带时，小车的加速度是2.5m/s2，请根据加速度的情况，判断小车运动的最大速度可能出现在b段纸 2.72 2.82 2.92 2.98 2.82 2.62 2.08 1.90 1.73 1.48 1.32 1.12 单位：cm a b c 图3－14－7 (b) D1D2 D3 D4D5 D6 D7 《验证牛顿第二定律》参考实验报告 实验目的 1．熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。 2．熟悉光电计时系统的工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。 3．学会测量物体的速度和加速度。 4．验证牛顿第二定律。 实验仪器 气垫导轨，气源，通用电脑计数器，游标卡尺，物理天平等。 实验原理 牛顿第二定律的表达式为 F ＝m a （1—1） 验证此定律可分两步 （1）验证m 一定时，a 与F 成正比。 （2）验证F 一定时，a 与m 成反比。 把滑块放在水平导轨上。滑块和砝码相连挂在滑轮上，由砝码盘、滑块、砝码和滑轮组成的这一系统，其系统所受到的合外力大小等于砝码（包括砝码盘）的重力W 减去阻力，在本实验中阻力可忽略，因此砝码的重力W 就等于作用在系统上合外力的大小。系统的质量m 就等于砝码的质量m 1、滑块的质量m 2和滑轮的折合质量2r I 的总和，按牛顿第二定律 a r I m m W )(221++= （1—2） 在导轨上相距S （系统默认S=50cm ）的两处放置两光电门k 1和k 2，测出此系统在砝码重力作用下滑块通过两光电门和速度v 1和v 2，则系统的加速度a （可有光电计时器直接读出）等于 S v v a 22122-= （1－3） 在滑块上放置双挡光片，同时利用计时器测出经两光电门的时间间隔，则通过2个光电门的速度为 （用卡尺测出遮光片两挡光沿的宽度d ?，cm d 1=?）（速度可有光电计时器直接读出） 2 211,t d v t d v ??=??= （1－4） 其中d ?为遮光片两个挡光沿的宽度如图1－1所示。在此测量中实际上测 定的是滑块上遮光片（宽d ?）经过某一段时间的平均速度，但由于d ?较 窄，所以在d ?范围内，滑块的速度变化比较小，故可把平均速度看成是滑 块上遮光片经过两光电门的瞬时速度。同样，如果t ?越小（相应的遮光片 宽度d ?也越窄），则平均速度越能准确地反映滑块在该时刻运动的瞬时速 度。 实验步骤 1．调好光电计时器，调整气垫导轨水平 （1）首先检查计时装置是否正常。将计时装置与光电门连接好，要注意套管插头和插孔要正确插入，将两光电门按在导轨上，利用功能键调到加速度，利用转换键调至显示速度和加速度。双挡光片第一次挡光开始计时，第二次挡光停止计时就说明光电计时装置能正常牛顿第二定律实验
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