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第二部分 实验：验证牛顿运动定律 内容展示实验目的实验器材实验原理，在验证牛顿第二定律的实验中，可以控制参量一定，研究与的关系；控制参量一定，研究与的关系。实验步骤　　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，再重复步骤4。　　6．重复步骤5三次，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。方法攻略误差分析注意事项典型例题透析1、（1）某一同学用如图所示的实验装置验证牛顿第二定律，即把小车放在光滑的木板上，小车受到的合外力就是下滑力，通过改变木板的倾斜角度，即可改变合外力，通过打点计时器测量加速度。对此你有何评论？　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）另一同学将打点计时器换成光电计时器。光电计时器其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置。当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。并设计了图乙所示装置探究“牛顿第二定律”的实验，图中NQ是水平桌面PQ是一端带有滑轮的长木板，1、2是固定在木板上的两个光电门（与之连接的两个光电计时器没有画出）。小车上固定着用于挡光的窄片，让小车从木板的顶端滑下，光电门各自连接的计时器显示窄片的挡光时间。　　　　　　　　　　　该实验为了把沙和沙桶m拉车的力当作小车的合力必须平衡摩擦力，为什么要平衡摩擦力呢？请简要说明理由。　　（3）该实验中，让小车质量M不变时，探究a与F关系。该同学通过测量，作出图线，如图丙中的实线所示。你认为：　　图线不通过坐标原点的原因是________________________；　　图线上部弯曲的原因是____________________________。　　解析：　　（1）本实验设计是想通过小车在下滑力的作用下，做匀加速直线运动，来验证牛顿第二定律，但由于合外力即下滑力，与小车的质量是线性关系，无法验证加速度与质量的关系，因此该设计不合理。　　（2）牛顿第二定律表达式中的F是物体所受的合外力，在本实验中，如果不采用一定的办法平衡小车所受的摩擦力，小车所受的合外力就不只是细绳的拉力，而应是细绳的拉力和系统所受的摩擦力的合力。画此，在研究加速度a和外力F的关系时，若不计摩擦力，误差较大，若计摩擦力，其大小的测量又很困难；在研究加速度a和质量m的关系时，由于随着小车上的砝码增加，小车与木板间的摩擦力会增大，小车所受的合外力就会变化（此时长板是水平放置的），不满足合外力恒定的实验条件，因此实验前必须平衡摩擦力。　　答案：（1）（2）见思路点拨　　　　　（3）平衡摩擦力时木板倾角太大；没有满足小车质量M远大于沙和沙桶的质量m。　　总结升华：根据新课标的“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”的三维思想，实验考查应重在过程，同时要多思考几个为什么，它是今后高考命题的方向。本题的设计就是想让学生学会分析实验过程和现象，注意培养学生的知识迁移能力。举一反三　　【变式】根据图甲装置在进行验证牛顿第二定律的实验中，研究加速度与质量的关系时，由于没有考虑沙桶的质量，结果得到的图像如乙图中（　 ）　　　　　　　答案：D　　解析：设小车质量为M，沙和沙桶的质量为m，两者共同的加速度为　　　　　　　当合外力mg不变时，若以为横坐标，得到的是一条通过原点的倾斜直线；若以为横坐标，只有当时，图像才接近于上述倾斜直线，且随着M的减小，图像与直线的偏离越大，得到如图D所示的图像。2、现要验证“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”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、计时器一个、米尺。