3.5《实验：验证牛顿运动定律》.ppt

实验四 探究a与F、M的关系;【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. ; 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,在小车??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.; 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,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 .; 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 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.;【