2021版高考物理一轮复习第3章牛顿运动定律第4节实验：验证牛顿第二定律学案12页

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第 4 节　实验：验证牛顿第二定律
一、实验目的
1．学会用控制变量法研究物理规律．
2．验证牛顿第二定律．
3．掌握利用图象处理数据的方法．
二、实验原理
探究加速度 a与力 F及质量 m的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个
参量——小车的质量 M 不变，讨论加速度 a 与力 F 的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，
即力 F不变，改变小车质量 M，讨论加速度 a与 M的关系．
三、实验器材
电磁打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、
低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码．
四、实验步骤
(一)测质量
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，把测量结果记录下
来．
(二)仪器安装及平衡摩擦力
2．按下图把实验器材安装好，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．
(三)保持小车的质量不变
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′

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记录下来，重复步骤 4.
6．步骤 5中用 6个不同的 m′的值，分别得到六条纸带．
7．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量各个计数点到 0 计数
点间的距离，算出与每条纸带对应的小车加速度的值．
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．
(四)保持小盘和砝码的质量不变
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．
五、注意事项
1．平衡摩擦力：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
施加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．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车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力．
2．实验条件：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
总质量的条件下打出．只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．
3．操作顺序：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应
先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．
六、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．

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对应学生用书 p
　实验原理与操作
例 1　某同学利用如图甲所示装置探究“加速度与力、物体质量的关系”，图中装
有砝码的小车放在长木板上，左端拴有一不可伸长的细绳，跨过固定在木板边缘的滑轮与一
砝码盘相连．在砝码盘的牵引下，小车在长木板上做匀加速直线运动，图乙是该同学做实验
时打点计时器在纸带上打出的一些连续的点，该同学测得相邻点之间的距离分别是 x1、x2、
x3、x4、x5、...