第2节牛顿第二定律.pptx

第2节多种实验方法验证牛顿第二定律,第6章力与运动,-2-,1验证牛顿第二定律2探究多种实验方法3学会用控制变量法研究物理规律,教学目的：,-3-,采用控制变量法：当研究对象有两个以上且相互关联的物理量发生变化时，为了研究各物理量之间的关系，我们需要设法控制某些物理量保持不变，研究其中两个物理量之间的变化关系，这是物理学实验中研究变量关系经常采用的一种方法控制变量法。,-4-,实验器材打点计时器,纸带及复写纸,小车,一端附有定滑轮的长木板,小盘和砝码,细绳,低压交流电源,导线,天平,刻度尺。实验步骤如图所示,1.用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。2.把一端附有定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的滑动摩擦力平衡。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的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做匀加速运动,打出一条纸带。计算小盘和砝码的总重力,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填入表(一)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。,表(一),7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并将所对应的质量和加速度填入表(二)中。,表(二),数据处理1.需要计算各种情况下所对应的小车的加速度,可使用“研究匀变速直线运动”的方法:先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据公式a=计算加速度。2.需要记录各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,然后建立直角坐标系,用纵坐标表示加速度a,横坐标表示牵引力F,描点画a-F图像,如果图像是一条过原点的直线,便证明在质量一定时,加速度与作用力成正比。再记录各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M,然后建立直角坐标系,用纵坐标表示加速度a,横坐标表示总质量的倒数,描点画a-图像,如果图像是一条过原点的直线,就证明了在合外力一定时,加速度与质量成反比。,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,细绳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。,11,方法二：由于小车和木板之间存在摩擦力，通过平衡摩擦力来解决。我们可以一种装置进行替代。,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。,12,方法三：实验中用砝码盘及砝码的总重力代替小车受到的拉力存在误差。小车受到的拉力实际上是拴接砝码盘的细线上的拉力，细线上的拉力小于砝码盘及砝码的总重力，存在系统误差。因此我们可以精确测量出绳子的拉力。,第一：通过弹簧测力计可直接读取，如下图。图中如使用长木板的话，需平衡摩擦力；若使用气垫导轨就要调水平。,结果验证：F弹=ma,13,第二：通过力的传感器进行测量。,结果验证：F=ma,14,第三：用某个力直接精确替代合力。,A按照图示安装好实验装置，挂上砂桶(含少量砂子)。B调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车沿长木板向下运动，且通过两个光电门的时间相等。C取下细绳和砂桶，测量砂子和桶的质量M，并记下。D保持长木板的倾角不变，不挂砂桶，将小车置于靠近滑轮的位置，由静止释放小车，记录小车先后通过光电门甲和乙时显示的时间。计算出加速度a。结果验证：Mg=ma,15,方法四：本实验还可对测量加速度进行改进。,第二、,16,方法五：学生设计：实验以小车为研究对象，以砂桶重力替代牵引力，产生了系统误差。要消除这种误差，可以以小车与砂桶组成的系统为研究对象。则该系统质量（M+m），系统所受拉力F=Mg。验证a与F关系时，要保证（M+m）恒定，可最初在