必考部分
实验四 验证牛顿运动定律
板块一 主干梳理·对 点激活
1实验原理与操作 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。 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。
表1 实验次数 加速度 a/(m·s－2) 小车受力
F/N 1 2 3 4
表2
实验次 加速度 a/(m·s 小车和砝码的总
数
－2)
质量 M/kg
1
2
3
4
数据处理
2数据处理与分析
1．计算加速度——先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的
加速度。
2．作图象找关系——根据记录的各组对应的加速度 a 与小车所受牵引力 F，建立直角坐标系，描点画
实验步骤 1．称量质量——用天平测量小盘的质量 m0 和小车的质量 M0。 2．装器材——按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小 车牵引力)。
3．平衡摩擦力——在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至 小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。
(3)在满足实验条件下，某同学得到了如图(b)的图线(M 为小车和砝码的总质量)，图线在纵轴上截距不 为零的原因是_长__木__板__倾__角__过__大_。
尝试解答 (1)小车所受拉力近似等于砂和砂桶的总重力 (2)AD (3)长木板倾角过大。 (1)小车质量远大于砂和砂桶的质量之和时，小车和砂桶的加速度很小，此时砂和砂桶的总重力近似等 于小车所受拉力，从而验证小车加速度与合外力的关系； (2)平衡摩擦力是使小车所受重力沿木板方向分力与小车所受摩擦力平衡，故 A、D 项正确，B 项错； 为确定小车是否为匀速运动，需要通过纸带上点迹是否均匀来判断，故 C 项错误； (3)纵截距不为零，即使小车质量 M 非常大时，小车仍有加速度，说明小车不受拉力作用时也具有加速 度，因此可以断定平衡摩擦力时长木板倾角过大。
[2015·云南昆明二检]某实验小组的同学用如图所示的装置，探究加速度与力和质量的关系。
板块二 考点细研·悟 法培优
考点 对实验原理及误差分析的考查
例 1 [2015·山西太原一模]用图(a)的装置“验证牛顿第二定律”时有两个“巧妙”的设计，一是要求 小车的质量远大于砂和砂桶的质量之和；二是对小车要进行“平衡摩擦力”操作。
回答下列问题： (1)实验要求“小车质量远大于砂和砂桶质量之和”的目的是_小__车__所__受__拉__力__近__似__等__于__砂__和__砂__桶__的__总__重__力。 (2)对小车进行“平衡摩擦力”操作时，下列必须进行的是___A_D____(填字母序号)。 A．取下砂和砂桶 B．在空砂桶的牵引下，轻推一下小车，小车能做匀速直线运动 C．小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时，打点计时器的电源应断开 D．把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度
4．让小车靠近打点计时器，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 对应的加速度填入表 1 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，并将所对应的质量和加速度填入表 2 中。 7．改变小车上砝码的个数，重复步骤 6，并多做几次。
注意事项 1．平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力， 且要让小车拖着纸带匀速运动。 2．不重复平衡摩擦力：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．实验条件：每条纸带都必须在满足小车的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。 4．一先一后一按住：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，且应在小车到达定滑轮前按住小车。 5．作图：作图时，两坐标轴的比例要适当，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽 可能对称地分布在所作直线两侧。 实验改进 1．用气垫导轨和光电门来完成此实验。 2．用拉力传感器直接测绳的拉力。
a-F 图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的
加速度 a 与小车和砝码总质量 M斜直
线，就证明了加速度与质量成反比。
误差分析 1．因实验原理不完善引起误差。以小车、小盘和砝码整体为研究对象得 mg＝(M＋m)a；以小车为研 究对象得 F＝Ma；求得 F＝M＋Mm·mg＝1＋1Mm·mg<mg。 本实验用小盘和砝码的总重力 mg 代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总 重力。小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小。因此，满足小盘和砝码的总质量 远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差。 2．摩擦力平衡不准确造成误差。在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的均与正式实验一样(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相邻两点间的距离相等。 3．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、细绳或纸带不与木板平行等都会引 起误差。