教育专题：探究牛顿第二定律.ppt

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1、探究牛顿第二定律的实验方法探究牛顿第二定律的实验方法探究牛顿第二定律的实验方法探究牛顿第二定律的实验方法【加速度的计算加速度的计算加速度的计算加速度的计算】【实验方法实验方法实验方法实验方法】控制变量法控制变量法控制变量法控制变量法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；【设计与提示设计与提示设计与提示设计与提示】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

2、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？NGcosGsinG 如何来平衡摩擦力？我们将长木板倾斜一定角度，应该等于，此时物体在斜面上。受到的合外力为0。做实验时肯

3、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:1用用调调整整好好的的天天平平测测出出小小车车和和小小桶桶的的质质量量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动上垫块，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

4、（可以从纸带上打的点是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）。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。把细线系在小车上并记录下来。把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶绕过滑轮悬挂小桶,接通电源接通电源,放开小车放开小车,打点计时器在打点计时器在纸带上打下一系列点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（要用天平称保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤量），按步骤4再做再做5次实验。次实验

5、。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，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直上描出相应的点，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。作用力成正比。8保保持持砂砂和和小小桶桶的的质质量量不不变变，在在小小车车上上加加放放砝砝码码，重重复复上上面面的的实实验验，并并做做好好记记录录，求求出出相相应应

6、的的加加速速度度,用用纵纵坐坐标标表表示示加加速速度度a，横横坐坐标标表表示示小小车车和和车车内内砝砝码码总总质质量量的的倒倒数数 ,在在坐坐标标平平面面上上根根据据实实验验结结果果描描出出相相应应的的点点并并作作图图线线，若若图图线线为为一一条条过过原原点点的的直直线线,就就证证明明了了研研究究对对象象所所受受作作用用力力不不变变时时其其加加速速度度与与它它的的质量成反比。质量成反比。【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

7、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,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

8、于小盘和砝码的总质量的条件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线两侧侧.6.6.作图

9、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.探究牛顿

10、第二定律的实验方法探究牛顿第二定律的实验方法探究牛顿第二定律的实验方法探究牛顿第二定律的实验方法加速度加速度 a 与物体所受合外力与物体所受合外力F 成正比。成正比。加速度加速度 a 与物体质量与物体质量m 成反比。成反比。【探究实验结论探究实验结论探究实验结论探究实验结论】即即在国际单位制下，在国际单位制下，在国际单位制下，在国际单位制下，k k=1=1 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

11、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.【误差分析误差分析】1.1.质量的测量误差质

12、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,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量小盘和砝码的总质量越小于

13、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式实实验验一一样样(比比如如要要挂挂好好纸纸带带,接接通通打打点点计计时时器器),),匀匀速速运运动动的的标标志志是是打打点点计计时时器器打打出出的的纸纸带带上上各各点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.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

14、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

15、,B,B、C C、D D对对.BCD在在探探究究加加速速度度与与物物体体所所受受合合外外力力和和质质量量间间的的关关系系时时,采采用用如如图图所所示示的的实实验验装装置置，小小车车及及车车中中的的砝砝码码质质量量用用M表表示示，盘盘及及盘盘中中的的砝砝码码质质量量用用m表表示示，小小车车的的加加速速度度可可由由小小车车后后拖拖动动的的纸纸带带由由打打点点计计数数器器打打上上的的点计算出：点计算出：(1)当当M与与m的的大大小小关关系系满满足足时时，才才可可以以认为绳子对小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

16、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

17、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现要要验验证证“当当质质量量一一定定时时，物物体

18、体运运动动的的加加速速度度与与它它所所受受的的合合外外力力成成正正比比”这这一一物物理理规规律律。给给定定的的器器材材如如下下：一一倾倾角角可可以以调调节节的的长长斜斜面面（如如图图）、小小车车、计计时时器器一一个、米尺。个、米尺。填填入入适适当当的的公公式式或或文文字字，完完善善以以下下实实验验步步骤骤（不不考考虑虑摩擦力的影响）：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底端A2，记下所用的时间记下所用的时间t 用用米米尺尺测测量量A1与与A2之之间间的的距距离离s，则则小小车车的的加加速速度度a=_。用用米米尺尺测测量

19、量A1相相对对于于A2的的高高h。设设小小车车所所受受重重力力为为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为为横横坐坐标标，1/t2 为为纵纵坐坐标标，根根据据实实验验数数据据作作图图。如如能能得得到到一一条条过过原原点点的的直直线线，则则可可以以验验证证“当当质质量量一一定定时时，物物体体运运动动的的加加速速度度与与它它所所受受的的合合外外力力成成正正比比”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）在在探探究究加加速速度度与与物物体体质质量量、物物体体受受力力的的关关系系实实验验中

20、中，实实验验装装置置如如图图乙乙所所示示：一一木木块块放放在在水水平平光光滑滑长长木木板板上上，左左侧侧拴拴有有一一不不可可伸伸长长的的细细软软线线，跨跨过过固固定定在在木木板板边边缘缘的的滑滑轮轮与与一一重重物物相相连连，重重物物的的质质量量为为m.木木块块右右侧侧与与穿穿过过打打点点计计时时器器的的纸纸带带相相连连，在在重重物物牵牵引引下下，木木块块在在木木板板上上向向左左做做匀匀加加速速运运动动.图图甲甲给给出出了了打打点点计计时时器器在在纸纸带带上上打打出出的的一一些些连连续续的的点点，它它们们之之间间的的距距离离分分别别为为S1、S2、S3、S4、S5、S6，打打点点计计时时器器所所

21、用用交交流流电电周周期期为为T0.根根据给以上数据求：据给以上数据求：打点计时器打点计时器木块木块纸带纸带重物重物电源插头电源插头乙乙单位单位:（cm）s1s2s3s4s5s6甲甲（1）木块的加速度）木块的加速度a=.（2）细线对木块的拉力）细线对木块的拉力T=.（3）为了减少误差）为了减少误差,你认为应采取什么措施你认为应采取什么措施?解：解：（1）木块的加速度，）木块的加速度，（2）细线对木块的拉力）细线对木块的拉力（3）为了减少误差）为了减少误差,应采取的措施：应采取的措施：木块的质量应远大于重物的质量木块的质量应远大于重物的质量；实验前将木板右端稍垫高，直至木块在细线未挂实验前将木板右端稍垫高，直至木块在细线未挂上重物时能沿木板匀速下滑上重物时能沿木板匀速下滑。