探究牛顿第二定律

1、锦州市黑山县黑山中学物理组锦州市黑山县黑山中学物理组 康红钢康红钢 欢迎指导交欢迎指导交流流1.控制质量控制质量m不变，探究加速度不变，探究加速度a与合外力与合外力F的关系；的关系；2.控制合外力控制合外力F 不变，探究加速度不变，探究加速度a与质量与质量m的关系；的关系；要测定小车的加速度，必须首先测定哪些物理量？要测定小车的加速度，必须首先测定哪些物理量？小车运动的位移小车运动的位移s小车运动位移小车运动位移s所用时间所用时间t实验所采用的设计不同，小车加速度的计算方法不同。实验所采用的设计不同，小车加速度的计算方法不同。探究牛顿第二定律实验探究牛顿第二定律实验一、实验器材： 小车、打点计

2、时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、钩码、刻度尺、天平1、小车质量的测量用 。 天平2、打点计时器的用途是：打出纸带，测量计算小车的加速度。实验装置图如图一个木块正在倾角为为的三角 斜面上匀速下滑，试求斜面的动摩擦因数。 如果此时给物体加上一个沿斜面向下的力F，那物体现在受到的合外力是多少？NGcosGsinGNmgcostancossincossinmgNmg 如何来平衡摩擦力？ 我们将长木板倾斜一定角度，应该等于arctan，此时物体在斜面上。 受到的合外力为0。做实验时肯定无法这么准确,我们只要把木板倾斜到物体在斜面上大致能够匀速下滑（可以根据纸带上的点来判断） 实验步骤实验步骤

3、:1用调整好的天平测出小车和小桶的质量用调整好的天平测出小车和小桶的质量M和和m ，把数据记录下来。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。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，直至小车在斜面上运上垫块，反复移动垫块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的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）。点是否均匀来判断）。4在

4、小车上加放砝码，小桶里放入适量的砂，把砝在小车上加放砝码，小桶里放入适量的砂，把砝码和砂的质量码和砂的质量M和和m记录下来。把细线系在小车上记录下来。把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶并绕过滑轮悬挂小桶,接通电源接通电源,放开小车放开小车,打点计时器打点计时器在纸带上打下一系列点在纸带上打下一系列点,取下纸带取下纸带,在纸带上写上编号在纸带上写上编号.5保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤称量），按步骤4再做再做5次实验。次实验。 6算出每条纸带对应的加速度的值。算出每条纸带对应的加速度的值。7用纵坐标表示加速度用纵坐标表示加速度a

5、，横坐标表示作用力，横坐标表示作用力F，即，即砂和桶的总重力砂和桶的总重力(m+m)g，根据实验结果在坐标平面，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。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，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用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和车内砝码，横坐标表示小

6、车和车内砝码总质量的倒数总质量的倒数 ,在坐标平面上根据实验结果描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。的质量成反比。 MM 1【注意事项注意事项】 1. 1.一定要做好平衡摩擦力的工作一定要做好平衡摩擦力的工作, ,也就是调出也就是调出一个合适的斜面一个合适的斜面, ,使小车的重力沿着斜面方向的分力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正好平衡小车受的摩擦阻力. .在平衡摩擦力时在平衡摩擦力时, ,

7、不要不要把悬挂小盘的细线系在小车上把悬挂小盘的细线系在小车上, ,即不要给小车加任何即不要给小车加任何牵引力牵引力, ,并要让小车拖着打点的纸带运动并要让小车拖着打点的纸带运动. . 2. 2.实验步骤实验步骤2 2、3 3不需要重复不需要重复, ,即整个实验平衡即整个实验平衡了摩擦力后了摩擦力后, ,不管以后是改变小盘和砝码的总质量还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是改变小车和砝码的总质量, ,都不需要重新平衡摩擦都不需要重新平衡摩擦力力. . 3. 3.每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的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

8、下打出总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出. .只只有如此有如此, ,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力力. . 4. 4.改变拉力和小车质量后改变拉力和小车质量后, ,每次开始时小车应尽每次开始时小车应尽量靠近打点计时器量靠近打点计时器, ,并应先接通电源并应先接通电源, ,再放开小车再放开小车, ,且且应在小车到达滑轮前按住小车应在小车到达滑轮前按住小车. . 5. 5.作图象时作图象时, ,要使尽可能多的点分布在所作直线要使尽可能多的点分布在所作直线上上, ,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直

9、线两侧侧. . 6. 6.作图时两轴标度比例要选择适当作图时两轴标度比例要选择适当, ,各量须采用各量须采用国际单位国际单位. .这样作图线时这样作图线时, ,坐标点间距不至于过密坐标点间距不至于过密, ,误误差会小些差会小些. . 7. 7.为提高测量精度为提高测量精度 (1)(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点应舍掉纸带上开头比较密集的点, ,在后边便在后边便于测量的地方找一个起点于测量的地方找一个起点. . (2) (2)可以把每打五次点的时间作为时间单位可以把每打五次点的时间作为时间单位, ,即即从开始点起从开始点起, ,每五个点标出一个计数点每五个点标出一个计数点, ,而相邻计数而相邻

10、计数点间的时间间隔为点间的时间间隔为T T=0.1 s. =0.1 s. 加速度加速度 a 与物体所受合外力与物体所受合外力F 成正比。成正比。Fa 即即加速度加速度 a 与物体质量与物体质量m 成反比。成反比。ma1 即即即即mFa maF kmaF maF 交流与思考交流与思考: :为何小盘及砝码的重力不等于绳子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？的拉力？如何才能减小由此造成的测量误差？ 提示提示: :令小车带上纸带在斜面上平衡阻力后挂上令小车带上纸带在斜面上平衡阻力后挂上小盘小盘, ,使小车和小盘一起加速运动时绳的拉力大小为使小车和小盘一起加速运动时绳的

11、拉力大小为F FT T, ,小车总质量为小车总质量为M M, ,小盘及砝码总质量为小盘及砝码总质量为m m, ,它们的加它们的加速度为速度为a a, ,由牛顿第二定律由牛顿第二定律, ,对对M M有有F FT T= =MaMa 对对m m有有mgmg- -F FT T= =mama 联立解得联立解得F FT T= = 可见可见, ,欲使欲使F FT Tmgmg, ,则必有则必有 0,0,故有故有m mM M为条件为条件. .实验操作中一般保持实验操作中一般保持M M2020m m, ,否则否则, ,系统误差系统误差较大较大. .gMmmgmMMm1Mm【误差分析误差分析】 1. 1.质量的测量

12、误差质量的测量误差, ,纸带上打点计时器打点间纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差隔距离的测量误差, ,拉线或纸带不与木板平行等都会拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差造成误差. . 2. 2.因实验原理不完善造成误差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本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力的拉力( (实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力总重力),),存在系统误差存在系统误差. .小盘和砝码的总质量越接近小车的质量小盘和砝码的总质量越接近小车的质量, ,误差就越大误差就越大; ;反之反之, ,小盘和砝码的总质

13、量越小于小车的质量小盘和砝码的总质量越小于小车的质量, ,误差误差就越小就越小. .3.3.平衡摩擦力不准造成误差平衡摩擦力不准造成误差 在平衡摩擦力时在平衡摩擦力时, ,除了不挂小盘外除了不挂小盘外; ;其他的都跟正其他的都跟正式实验一样式实验一样( (比如要挂好纸带比如要挂好纸带, ,接通打点计时器接通打点计时器),),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的距离相等. . 在利用打点计时器和小车来做在利用打点计时器和小车来做“验证牛顿运动定验证牛顿运动定 律律”的实验时的实验时, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是( )( )A

14、.A.平衡摩擦力时平衡摩擦力时, ,应将砝码及盘内砝码通过定滑轮应将砝码及盘内砝码通过定滑轮 拴在小车上拴在小车上B.B.连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板保持平行连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板保持平行 C.C.平衡摩擦力后平衡摩擦力后, ,长木板的位置不能移动长木板的位置不能移动 D.D.小车释放前应靠近打点计时器小车释放前应靠近打点计时器, ,且应先接通电源且应先接通电源 再释放小车再释放小车解析解析 本题考查实验过程中应注意的事项本题考查实验过程中应注意的事项, ,选项选项A A中中平衡摩擦力时平衡摩擦力时, ,不能将砝码盘及盘内砝码不能将砝码盘及盘内砝码( (或小桶或小桶) )通过细绳

15、栓在小车上通过细绳栓在小车上,A,A错错; ;选项选项B B、C C、D D符合正确的符合正确的操作方法操作方法,B,B、C C、D D对对. .BCD在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时,采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码质量采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码质量用用M表示，盘及盘中的砝码质量用表示，盘及盘中的砝码质量用m表示，小车的表示，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：点计算出：(1)当当M与与m的大小关系满足的大小关系满足时，才可以时，才可以认为绳子对小

16、车的拉力大小等于盘和砝码的重力。认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力。 纸带纸带m打点计数器打点计数器MmM（2）一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定）一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定,探究做探究做加速度与质量的关系加速度与质量的关系,以下做法错误的是以下做法错误的是:( ) 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

17、度可用天平测出小车运动的加速度可用天平测出m以及小车质量以及小车质量M，直接用公式直接用公式 amg/M求出。求出。（3）在保持小车及车中的砝码质量质量）在保持小车及车中的砝码质量质量M一定，探究加一定，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，二位同学得到的当，二位同学得到的aF关系关系 分别如下图分别如下图C、D所示所示(a是小车是小车 的加速度的加速度.F是细线作用于小车是细线作用于小车 的拉力的拉力)。其原因分别是：。其原因分别是：C图：图： ，D图：图： 。0FaC0FaDACD平衡摩擦力时，长木板的倾角过大了平衡摩擦力

18、时，长木板的倾角过大了没有平衡摩擦力或木板的倾角过小没有平衡摩擦力或木板的倾角过小现要验证现要验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比受的合外力成正比”这一物理规律。给定的器材如下：这一物理规律。给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面（如图）、小车、计时器一一倾角可以调节的长斜面（如图）、小车、计时器一个、米尺。个、米尺。填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤（不考虑填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤（不考虑摩擦力的影响）：摩擦力的影响）： 让小车自斜面上方一固定点让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑至斜面底端从静止开始下滑至斜面

19、底端A2，记下所用的时间记下所用的时间t 用米尺测量用米尺测量A1与与A2之间的距离之间的距离s，则小车的加速度，则小车的加速度a=_。 用米尺测量用米尺测量A1相对于相对于A2的高的高h。设小车所受重力为。设小车所受重力为mg，则小车所受的合外力，则小车所受的合外力F_。A1A22s/t2mgh/s 改变改变 ，重复上述测量。，重复上述测量。 以以h为横坐标，为横坐标， 1 / t2 为纵坐标，根据实验数据作图。为纵坐标，根据实验数据作图。如能得到一条过原点的直线，则可以验证如能得到一条过原点的直线，则可以验证“当质量一当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律。这一规律。斜面倾角（或填斜面倾角（或填h的数值）的数值）在探究加速度与物体质量、物体受力的关系实验中，在探究加速度与物体质量、物体受力的关系实验中，实验装置如图乙所示：一木块放在水平光滑长木板上，实验装置如图乙所示：一木块放在水平光滑长木板上，左侧拴有一不可