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实验:验证牛顿第一定律滑块在水平的气垫导轨上运动,如果加速度为零,即可得出滑块做匀速直线运动的结论,从而验证牛顿第一定律.但实验结果往往显示滑块做的并不是匀速运动,

一、题文

实验:验证牛顿第一定律
滑块在水平的气垫导轨上运动,如果加速度为零,即可得出滑块做匀速直线运动的结论,从而验证牛顿第一定律.但实验结果往往显示滑块做的并不是匀速运动,而是减速运动.这是因为滑块在导轨上运动时,尽管有气垫的漂浮作用,但导轨与空气对滑块的阻力还是无法完全避免的.当导轨的一端垫高而斜置时,滑块的下滑力明显大于上述两种阻力,因此可以采用外推的方法来得到所需要的结论.实验装置如图所示.
如果滑块上的挡光片宽度为d,通过1、2两个光电门时的挡光时间分别为t1和t2,那么滑块通过两个光电门时的速度分别为v1=
d
t1
v2=
d
t2
,测量出两个光电门之间的距离s,即可求出滑块的加速度a=
v22
-
v21
2s
,从图中可看出,滑块的加速度a=gsinα=g
h
L
,所以当L不变时,a正比于h.改变h,测得一系列不同的a,然后作出a-h图线.如果a-h直线外推过原点,就是说当h=0时,a=0,即验证了牛顿第一定律.   实验中应注意,h不能调得太小.因为h太小时,前面所说的导轨阻力和空气阻力将表现得明显起来.
(实验结果和讨论)某次实验中s=75.0cm,d=1.00cm.每个h高度做三次实验,毫秒计测量数据如下(单位为10-4s):
序号垫高h(cm)第一次[第二次[第三次[]
t1t2t1t2t1t2
16.00279113241110253111
25.50259116262116244114
35.00260120257119262121
44.50311130291128272125
54.00294136330137286134
63.50316144345147355148
73.00358157347156372159
计算出来的加速度(单位m/s2)如下表:
1234567
a10.4360.3960.3260.2830.2550.218
a20.4370.3980.3700.3280.2940.2530.219
a30.4370.4010.3580.3370.2900.2510.217
a0.4370.3980.3300.2890.2530.218
(1)填写表格中的数据:
①______;②______;
(2)在直角坐标系中作出a-h图线.
(3)结论:______; 理由:______.


考点提示:实验:探究小车速度随时间变化的规律,牛顿第二定律

二、答案

(1)根据第一个图表中第三组数据有:
v1=
1.0×10-2m
260×10-4s
=0.385m/s

v2=
1.0×10-2m
120×10-4s
=0.833m/s

所以物块的加速度:a=
v22
-
v21
2s
=0.364m/s2
.
a
=
a1+a2+a3
3
=
(0.364+0.370+0.358)m/s2
3
=0.364m/s2

故答案为:①0.364;②0.364.
(2)根据表中数据,画出图象如下所示:



(3)由(2)问可知,图象为过原点的一条直线,因此当当h=0时,a=0.
故答案为:结论:当h=0时,a=0;理由:图线是一条过原点的直线.

三、考点梳理

知名教师分析,《实验:验证牛顿第一定律滑块在水平的气垫导轨上运动,如果加速度为零,即可得出滑块做匀速直线运动的结论,从而验证牛顿第一定律.但实验结果往往显示滑块做的并不是匀速运动,》这道题主要考你对 实验:探究小车速度随时间变化的规律牛顿第二定律 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:实验:探究小车速度随时间变化的规律,牛顿第二定律

考点名称:实验:探究小车速度随时间变化的规律
  • 实验目的:
    1、练习使用打点计时器,学习利用打上点的纸带研究物体的运动。
    2、学习用打点计时器测定即时速度和加速度。

    实验原理:
    1、打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,它每隔0.02s打一次点(由于电源频率是50Hz),因此纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置,研究纸带上点之间的间隔,就可以了解物体运动的情况。
    2、由纸带判断物体做匀变速直线运动的方法:如图所示,0、1、2……为时间间隔相等的各计数点,s1、s2、s3、……为相邻两计数点间的距离,若△s=s2-s1=s3-s2=……=恒量,即若连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量,则与纸带相连的物体的运动为匀变速直线运动。


    3、由纸带求物体运动加速度的方法:
    ①用“逐差法”求加速度:即根据s4-s1=s5-s2=s6-s3=3aT2(T为相邻两计数点间的时间间隔)求出a1=、a2=、a3=,再算出a1、a2、a3
    ②用v-t图法:即先根据vn=求出打第n点时纸带的瞬时速度,后作出v-t图线,图线的斜率即为物体运动的加速度。

    实验器材:
    小车,细绳,钩码,一端附有定滑轮的长木板,打点计时器,低压交流电源,导线两根,纸带,米尺。

    实验步骤:
    1、把一端附有定滑轮的长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端,连接好电路,如图所示;


    2、把一条细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,并在细绳的另一端挂上合适的钩码,试放手后,小车能在长木板上平稳地加速滑行一段距离,把纸带穿过打点计时器,并把它的一端固定在小车的后面;
    3、把小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,再放开小车,让小车运动,打点计时器就在纸带上打下一系列的点,取下纸带,换上新纸带,重复实验三次;
    4、选择一条比较理想的纸带,舍掉开头的比较密集的点子,确定好计数始点0,标明计数点,正确使用毫米刻度尺测量两点间的距离,用逐差法求出加速度值,最后求其平均值。也可求出各计数点对应的速度,作v-t图线,求得直线的斜率即为物体运动的加速度。

    注意事项:
    1、开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器。
    2、应该先接通电源,再释放小车,当小车到达滑轮前及时用手按住。
    3、先断开电源,再取下纸带。
    4、对于电磁打点计时器,如打出的点较轻或是短线时,应调整振针距复写纸的高度。
    5、选择一条理想的纸带,是指纸带上的点迹清晰,适当舍弃点密集部分,适当选取计数点(注意计数点与计时点的区别),弄清楚所选的时间间隔T等于(n-1)t。
    6、每打好一条纸带,将定位轴上的复写纸换个位置,以保证打点清晰(注意此项只对于电磁打点计时器才适用)。
    7、不要分段测量各段位移,应一次测出各计数点与0计数点的距离,再逐个计算x1、x2、x3…,读数时应估读到0.1mm。
    8、尽可能保证小车做匀加速直线运动的方法是:
          ①细绳尽可能与板面保持平行;
          ②滑轮和车轮灵活;
          ③长木板表面粗糙程度、纸带与打点计时器之间的摩擦基本保持一致。

考点名称:牛顿第二定律
  • 内容:

    物体的加速度跟所受的外力的合力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同,表达式F=kma。在国际单位制中,k=1,上式简化为F=ma。牛顿这个单位就是根据牛顿第二定律定义的:使质量是1kg的物体产生1m/s2加速度的力,叫做1N(kg·m/s2=N)。
  • 对牛顿第二定律的理解:

    ①模型性
    牛顿第二定律的研究对象只能是质点模型或可看成质点模型的物体。
    ②因果性
    力是产生加速度的原因,质量是物体惯性大小的量度,物体的加速度是力这一外因和质量这一内因共同作用的结果。
    ③矢量性
    合外力的方向决定了加速度的方向,合外力方向变,加速度方向变,加速度方向与合外力方向一致。其实牛顿第二定律的表达形式就是矢量式。
    ④瞬时性
    加速度与合外力是瞬时对应关系,它们同生、同灭、同变化。
    ⑤同一性(同体性)
    中各物理量均指同一个研究对象。因此应用牛顿第二定律解题时,首先要处理好的问题是研究对象的选择与确定。
    ⑥相对性
    中,a是相对于惯性系的而不是相对于非惯性系的,即a是相对于没有加速度参照系的。
    ⑦独立性
    F产生的加速度a是物体的总加速度,根据矢量的合成与分解,则有物体在x方向的加速度ax;物体在y方向的合外力产生y方向的加速度ay。牛顿第二定律分量式为:
    ⑧局限性(适用范围)
    牛顿第二定律只能解决物体的低速运动问题,不能解决物体的高速运动问题,只适用于宏观物体,不适用与微观粒子。
  • 牛顿第二定律的应用:

    1.应用牛顿第二定律解题的步骤:
    (1)明确研究对象。可以以某一个质点作为研究对象,也可以以几个质点组成的质点组作为研究对象。设每个质点的质量为mi,对应的加速度为ai,则有:F合=
    对这个结论可以这样理解:先分别以质点组中的每个质点为研究对象用牛顿第二定律:,将以上各式等号左、右分别相加,其中左边所有力中,凡属于系统内力的,总是成对出现并且大小相等方向相反,其矢量和必为零,所以最后得到的是该质点组所受的所有外力之和,即合外力F。。
    (2)对研究对象进行受力分析,同时还应该分析研究对象的运动情况(包括速度、加速度),并把速度、加速度的方向在受力图旁边表示出来。
    (3)若研究对象在不共线的两个力作用下做加速运动,一般用平行四边形定则(或三角形定则)解题;若研究对象在不共线的三个或三个以上的力作用下做加速运动,一般用正交分解法解题(注意灵活选取坐标轴的方向,既可以分解力,也可以分解加速度)。
    (4)当研究对象在研究过程的小同阶段受力情况有变化时,那就必须分阶段进行受力分析,分阶段列方程求解。
    2.两种分析动力学问题的方法:
    (1)合成法分析动力学问题若物体只受两个力作用而产生加速度时,根据牛顿第二定律可知,利用平行四边形定则求出的两个力的合力方向就是加速度方向。特别是两个力互相垂直或相等时,应用力的合成法比较简单。
    (2)正交分解法分析动力学问题当物体受到两个以上的力作用而产生加速度时,常用正交分解法解题。通常是分解力,但在有些情况下分解加速度更简单。
    ①分解力:一般将物体受到的各个力沿加速度方向和垂直于加速度方向分解,则:(沿加速度方向),(垂直于加速度方向)。
    ②分解加速度:当物体受到的力相互垂直时,沿这两个相互垂直的方向分解加速度,再应用牛顿第二定律列方程求解,有时更简单。具体问题中要分解力还是分解加速度需要具体分析,要以尽量减少被分解的量,尽量不分解待求的量为原则。
    3.应用牛顿第二定律解决的两类问题:
    (1)已知物体的受力情况,求解物体的运动情况解这类题目,一般是应用牛顿运动定律求出物体的加速度,再根据物体的初始条件,应用运动学公式,求出物体运动的情况,即求出物体在任意时刻的位置、速度及运动轨迹。流程图如下:

    (2)已知物体的运动情况,求解物体的受力情况解这类题目,一般是应用运动学公式求出物体的加速度,再应用牛顿第二定律求出物体所受的合外力,进而求出物体所受的其他外力。流程图如下:

    可以看出,在这两类基本问题中,应用到牛顿第二定律和运动学公式,而它们中间联系的纽带是加速度,所以求解这两类问题必须先求解物体的加速度。
  • 知识扩展:

    1.惯性系与非惯性系:牛顿运动定律成立的参考系,称为惯性参考系,简称惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系,称为非惯性系。
    2.关于a、△v、v与F的关系
    (1)a与F有必然的瞬时的关系F为0,则a为0; F不为0,则a不为0,且大小为a=F/m。F改变,则a 立即改变,a和F之间是瞬时的对应关系,同时存在,同时消失.同时改变。
    (2)△v(速度的改变量)与F有必然的但不是瞬时的联系 F为0,则△v为0;F不,0,并不能说明△v就一定不为0,因为,F不为0,而t=0,则△v=0,物体受合外力作用要有一段时间的积累,才能使速度改变。
    (3)v(瞬时速度)与F无必然的联系 F为0时,物体可做匀速直线运动,v不为0;F不为0时,v可以为0,例如竖直上抛到达最高点时。

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