《实验：验证牛顿运动定律》

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1、实验四探究a与F、M的关系要点归纳【实验目的】1.学会用控制变量法研究物理规律;2.探究a与F、M的关系;3.掌握利用图象处理数据的方法.【实验原理】1.探究a与F、M的关系的实验依据是牛顿运动定律,即F=Ma,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

2、认为等于托盘和砝码的总重力mg.小车的加速度a利用纸带根据Δx=aT2计算.【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.【处理数据、探索结论】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1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,即不给小车施加牵引力.图13.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

3、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

4、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,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.控制变量法,验证牛二律;实验第一步,平衡摩擦力;合力等于盘码重,必须满足关系式(mM);验证a-M成反比,注意选好坐标系.锦囊妙诀交流与思考:若由实验结果画出的小车运动的a—F图线是一条并不过原点的直线,说明实验中存在什么问题？图线的斜率有何物理意义？实验中并不画出a—M图线

5、,而是画出a-图线,这包含了哪些物理思想方法？a—F图线是一条并不过原点的直线,说明F并不是小车受到的合外力.若图线在F轴上有截距,说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足;若图线在a轴正向有截距,说明平衡摩擦力过度,此时图线的斜率表示.提示:由牛顿第二定律可知,a与M成反比,所以a—M图线并不是直线.为了减小实验误差,也为了将曲线转化为便于研究的直线,画出a-图线,这包含了物理学中化曲为直的思想方法,此时图线的斜率表示F.【误差分析】1.质量的测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差,拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差.2.因实验原理不完善造成误差本实验中用小盘和砝码的

6、总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),存在系统误差.小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,误差就越小.3.平衡摩擦力不准造成误差在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外;其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带,接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等.交流与思考:为何小盘及砝码的重力不等于绳子的拉力？如何才能减小由此造成的测量误差？提示:令小车带上纸带在斜面上平衡阻力后挂上小盘,使小车和小盘一起加速运动时绳的拉力大小为FT,小车总质量为M,小盘及砝码总质量为m,它们的加

7、速度为a,由牛顿第二定律,对M有FT=Ma对m有mg-FT=ma联立解得FT=可见,欲使FT≈mg,则必有→0,故有m≤M为条件.实验操作中一般保持M＞20m,否则,系统误差较大.【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