第五节 实验 验证牛顿运动定律
【实验目的】
1．学会用控制变量法研究物理规律． 2．验证牛顿运动定律．
3．掌握利用图象处理数据的方法． 【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，再控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，讨论加速度a与M的关系． 【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、小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺． 一、实验步骤
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匀加速下滑，打出一条纸带．计算小盘和砝码的重力，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记录在纸带上(或表格中)．
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． 7．改变小车上砝码的个数，重复步骤6，所对应的质量和加速度也需记录． 二、数据处理
1．把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：
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由以上数据画出它的a－F关系图象如下图所示．
通过a－F关系图象，我们可以得出小车的加速度a与力F成正比
2．把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中：
由以上数据画出它的
1a－M图象及a－图象，如图M
3－4－3甲、乙所示． 通过
1a－M和a－关系图象，我们可以得出小车的M 1加速度a与质量M成反比，与质量的倒数M成正比．
三、实验中应注意的事项
1．一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方
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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，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．
2．实验步骤2、3不需要重复，即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．
3．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．
4．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．
5．作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．
6．作图时两轴标度比例要选择适当．各量须采用国际单位，这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些．
7．为提高测量精度，可以采取下列措施：
(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点．
(2)可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起，每隔四个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1秒 四、误差分析及实验改进 1．误差分析 产生原因 减小方法 测量误差：①质量测量不准确②纸带上所打点间距测量不准 (1)多次测量取平均值(2)舍掉纸带上开头较密集的点，在后面便于测量的地方找起点(3)从开始点起，每五个点标一个计数点，相邻计数点间隔0.1 s 偶然误差 拉线或纸带不与木板平行 调节拉线或纸带使之与木板平行 在平衡摩擦力时，除不挂小盘外，其他的平衡摩擦力不准确 都跟正式实验一样(如要挂好纸带，先接通打点计时器后放纸带等) 系统误差 本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受拉力要小于小盘和砝码的总重力 让小盘和砝码的总质量远小于小车的总质量 2．实验改进
本实验中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器，借助于计算机来处理．
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【总结】 1、知识网络
2、注意事项
1．实验方法：控制变量法．
2．平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要悬挂小盘，但小车应连着纸带且接通电源．用手给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡．
3．不重复平衡摩擦力：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．
4．实验条件：m≫m′只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．
5．一先一后一按：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，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．
6．作图：作图时两轴标度比例要适当．各量须采用国际单位．这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些． 【复习巩固题】
1、(2009年高考上海卷)如图所示为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置．
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(1)在该实验中必须采用控制变量法，应保持________不变，用钩码所受的重力作为________，用DIS测小车的加速度．
(2)改变所挂钩码的数量，多次重复测量．在某次实验中根据测得的多组数据可画出a－F关系图线(如图所示)．
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是
___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ②(单选题)此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是( )
A．小车与轨道之间存在摩擦 B．导轨保持了水平状态 C．所挂钩码的总质量太大 D．所用小车的质量太大
2、(2011年六安模拟)某实验小组利用如图所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系．
(1)由图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x＝24 cm，由图中游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________cm.该实验小组在做实验时，将滑块从图所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1＝________，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2＝________，则滑块的加速度的表达式a＝________.(以上表达式均用字母表示)
(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验，得到如表所示的实验数据．通过分析表中数据后，你得出的结论是________．
(3)现需通过图象进一步验证你的结论，请利用表格数据，在图所示坐标系中描点作出相应图象．
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3、(2011年福建三明市模拟)用如图所示的装置做“验证牛顿第二定律”实验，甲同学根据实验数据画出的小车的加速度a和小车所受拉力F的图象为图中的直线Ⅰ，乙同学画出的a-F图
象为下图中的直线Ⅱ.直线Ⅰ、Ⅱ在纵轴或横轴上的截距较大，明显超出了误差范围，下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释，其中可能正确的是( )
A．实验前甲同学没有平衡摩擦力
B．甲同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了 C．实验前乙同学没有平衡摩擦力
D．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了
4、在“验证牛顿第二定律”的实验中，在研究加速度a与小车的质量M的关系时，由于没有注意始终满足M≫m的条件，结果得到的图象应是图中的( )
5、2011年池州模拟)如图所示，在验证牛顿第二定律的演示实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有( )
A．当m1＝m2、F1＝2F2时，x1＝2x2 B．当m1＝m2、F1＝2F2时，x2＝2x1 C．当m1＝2m2、F1＝F2时，x1＝2x2 D．当m1＝2m2、F1＝F2时，x2＝2x1
6．(2009年高考江苏卷)“验证牛顿第二定律”的实验装置如图甲所示．
(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示．计时器打点的时间间隔为0.02 s．从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的
2
距离．该小车的加速度a＝__________ m/s.(结果保留两位有效数字)
(2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上．挂上砝码盘，然后每次从小车上
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取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度．小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表： 砝码盘中砝码总重力F(N) 0.196 0.392 0.588 0.784 0.980 －2加速度a(m·s) 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70 请根据实验数据作出a－F的关系图象．
(3)根据提供的实验数据作出的a－F图线不通过原点．请说明主要原因． 7．(2010年高考山东卷)某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系．弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接．在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d.开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小．再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t.
(1)木板的加速度可以用d、t表示为a＝________；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是(一种即可)________．
(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧秤示数F1的关系．下列图象中能表示该同学实验结果的是________．
(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是________． A．可以改变滑动摩擦力的大小 B．可以更方便地获取多组实验数据 C．可以比较精确地测出摩擦力的大小
D．可以获得更大的加速度以提高实验精度
8、 (2012·大纲全国卷，23)如图为验证牛顿第二定律的实验装置示意图．图中打点计时器的电源为50 Hz的交流电源，打点的时间间隔用Δt表示．在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”．
(1)完成下列实验步骤中的填空：
①平衡小车所受的阻力：小吊盘中不放物块，调整木板右端的高度，用手轻拨小车，直到打点计时器打出一系列________的点．
②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码．
③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有点列的纸带，在纸带上标出小车中砝码的质量m.
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④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③.
⑤在每条纸带上清晰的部分，每5个间隔标注一个计数点．测量相邻计数点的间距s1，s2，„.求出与不同m相对应的加速度a.
11
为纵坐标，在坐标纸上做出m关系图线。若加速度与小aa1车和砝码的总质量成反比，则与m处应成_________关系（填“线性”或“非线性”）。
a⑥以砝码的质量m为横坐标
(2)完成下列填空：
①本实验中，为了保证在改变小车中砝码的质量时，小车所受的拉力近似不变，小吊盘和盘中物块的质量之和应满足的条件是__________________________________．
②设纸带上三个相邻计数点的间距分别为s1、s2和s3.a可用s1、s3和Δt表示为a＝________.图为用米尺测量某一纸带上的s1、s3的情况，由图可读出s1＝________ mm，s3＝________ mm，由此求得加速度的大小a＝________ m/s
2.
③图为所得实验图线的示意图．设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿定律成立，则小车受到的拉力为________，小车的质量为________．
9、(2013·苏北四市调研)某实验小组利用如图甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系．
(1)做实验时，将滑块从图甲所示位置由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt1、Δt2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x，用游标卡尺测得遮光条宽度d，则滑块经过光电门1时的速度表达式v1＝________；经过光电门2时的速度表达式v2＝________.滑块加速度的表达式a＝________.(以上表达式均用已知字母表示)．如图乙所示，
若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，其读数为________mm.
(2)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h(见图甲)．关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端的高度h”的正确操作方法是________． A．M增大时，h增大，以保持二者乘积增大 B．M增大时，h减小，以保持二者乘积不变 C．M减小时，h增大，以保持二者乘积不变
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D．M减小时，h减小，以保持二者乘积减小
10、(2012·安徽高考)图为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图．砂和砂桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M.实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小．
(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行．接下来还需要进行的一项操作是
A．将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节m的大小，使小车在砂和砂桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动．
B．将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和砂桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动．
C．将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动．
(2)实验中要进行质量m和M的选取，以下最合理的一组是 A．M＝200 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g
B．M＝200 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g C．M＝400 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g D．M＝400 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g
(3)如图是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出．量出相邻的计数点之间的距离分别为：sAB＝4.22 cm、sBC＝4.65 cm、sCD＝5.08 cm、sDE＝5.49 cm、sEF＝5.91 cm、sFG＝6.34 cm.已知打点计时器的工作频率为50 Hz，则小车的加速度a＝________m/s2.(结果保留两位有效数字)
10、如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子．沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m，小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为M.
(1)验证在质量不变的情况下，加速度与合力成正比．从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合力F，对应的加速度a则从打下的纸带中
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计算得出．多次改变合力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度．本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变．以合力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出aF图象，图象是一条过原点的直线． ①aF图象斜率的物理意义是
________________________________________________________________________． ②你认为把沙桶的总重力mg当做合力F是否合理？ 答：________.(选填“合理”或“不合理”) ③本次实验中，是否应该满足M≫m这样的条件？ 答：________(选填“是”或“否”)；
理由是_______________________________________．
(2)验证在合力不变的情况下，加速度与质量成反比．保持桶内沙子质量m不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系．本次实验中，桶内的沙子总质量不变，故系统所受的合力不变．
用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以________的倒数为横轴．
11、某同学设计了一个探究小车的加速度a与小车所受拉力F及质量m关系的实验，图(a)为实验装置简图．(所用交流电的频率为50 Hz)
(1)为了研究加速度和质量的关系，在实验中必须采用控制变量法，应保持________不变，用砂桶及砂所受的重力作为________，图(b)为某次实验得到的纸带，实验数据如图，图中相邻计数点之间还有4个点未画出，根据纸带可求出小车的加速度大小为________ m/s2.(保留三位有效数字)
(2)在本次实验中，实验小组通过改变小车质量共做了8组实验，得到下表所示的实验数据，通过分析表中数据，你得出的结论是：________________________________________. 实验序号 小车加速度 a/(m·s－2) 小车质量 m/kg 1 2 3 4 5 6 7 8 0.633 0.572 0.497 0.418 0.332 0.250 0.167 0.101 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 现需通过图象进一步验证你的结论，可利用表格数据作图，应在坐标纸 中画出________图线．
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(3)在某次实验中为研究加速度和力的关系，根据测得的多组数据可画出aF关系图线，如图所示．此图线的AB段明显偏离直 线，造成此误差的主要原因是 ( )．
A．小车与木板之间存在摩擦 B．木板保持了水平状态
C．所挂砂桶及砂的总质量太大 D．所用小车的质量太大
12、（2014年新课标1）某同学利用图（a）所以实验装置及数学化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图（b）所示。实验中小车（含发射器）的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题：
（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 （填“线性”或“非线性”）关系。
（2）由图（b）可知，a-m图线不经过原点，可能的原因是 。 （3）若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”
的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进
措施是 ，钩码的适量应该满足的条件是 。
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