第3章 实验四 探究加速度与物体受力、物体质量的关系-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（人教版2019）

实验四　探究加速度与物体受力、物体质量的关系 第三章　运动和力的关系 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 1．实验目的 (1)学会应用控制变量法研究物理规律。 (2)探究加速度与力、质量的关系。 (3)掌握利用图像处理数据的方法。 3．实验器材 小车、砝码、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、导线两根、纸带、天平、刻度尺。 4．实验步骤 (1)质量的测量：用天平测量小车的质量m。 (2)安装：按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车施加牵引力)。 (3)平衡小车受到的阻力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置使小车能匀速下滑。 (4)操作：①槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，断开电源，取下纸带，编号码。 ②保持小车的质量m不变，改变槽码个数，重复步骤①。 ③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a。 2．注意事项 (1)平衡小车受到的阻力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力。在平衡小车受到的阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动。 (2)不用重复平衡小车受到的阻力。 (3)实验条件：槽码质量应远小于小车质量。 (4)一先一后一按：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达定滑轮前按住小车。 3．误差分析 (1)实验原理不完善：本实验用槽码的重力代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于槽码的重力。 (2)平衡小车受到的阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。 二 实验要点 互动探究 14 命题点一　教材原型实验 角度1　实验原理与操作 [典例1]　在“验证牛顿运动定律”实验中，采用如图所示的装置进行实验。 (1)对小车进行“平衡摩擦力”操作时， 下列必须进行的是________。 A．取下沙和沙桶 B．在空沙桶的牵引下，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 AD (1)平衡摩擦力是使小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受摩擦力平衡，故A、D项正确，B项错误；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。 (2)实验中，已经测出小车的质量为M，沙和沙桶的总质量为m，若要将沙和沙桶的总重力大小作为小车所受拉力F的大小，这样做的前提条件是___________________________________________。 沙和沙桶的总质量远小于小车的质量 BD (3)本实验的目的是“验证牛顿运动定律”，所以不能把牛顿第二定律当成已知的公式来使用，故A错误；使用打点计时器时，应该先接通电源，后释放纸带，故B正确；平衡摩擦力后有μ＝tan θ，小车质量改变时，总满足Mg sin θ＝μMg cos θ，与小车质量无关，所以不用再次平衡摩擦力，故C错误；本实验采用控制变量法，故D正确。 角度2　数据处理与分析 [典例2]　(2024·江苏盐城检测)用如图甲所示的实验装置来验证牛顿第二定律，为消除阻力的影响，实验前必须平衡小车受到的阻力。 (1)某小组平衡小车受到的阻力时是这样操作的：将小车静止放在水平长木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图乙，直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止，即认为刚好平衡小车受到的阻力。请问该小组平衡小车受到的阻力的操作________(选填“正确”或“不正确”)。 不正确 (1)小车由静止下滑，说明重力沿斜面的分力大于阻力，因此平衡阻力过度，所以该小组的操作不正确，正确的操作应该为给小车一个初速度，小车能够带动纸带匀速下滑。 (2)如果该小组已按(1)中的操作平衡小车受到的阻力，保持M(小车质量)不变，通过改变沙桶中沙子质量，得到的a-F图像是下图中的________。 C (2)如果该小组按(1)中的操作，导致平衡阻力过度，因此当小车上还没有挂沙和沙桶时，小车已经有加速度了，故A、B、D错误，C正确。 (3)若在另一组实验过程中，保持M(小车质量)不变，通过改变沙桶中沙子质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出a-F关系图线如图所示。此图线的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是________。 A.没有平衡小车与木板之间的摩擦 B．木板倾斜角度过大 C．所用小车的质量过大 D．所加沙子的总质量过大 D (3)用沙桶及其中沙子的重力代替拉力F，需要满足沙桶及其中沙子质量远小于小车质量。随着F的增大，不满足沙桶及其中沙子质量远小于小车质量时，a-F图线会略微向下弯曲，故造成此现象的原因是所加沙子的总质量过大，故D正确，A、B、C错误。 (4)打点计时器使用的交流电频率f＝50 Hz，下图是某小组在正确操作下获得的一条纸带，A、B、C、D、E每相邻两点之间还有4个点未标出，根据纸带所提供的数据，算得加速度大小为________ m/s2(结果保留两位有效数字)。 0.60　 5% 命题点二　实验创新设计 角度1　实验器材创新 [典例3]　(2023·江苏扬州检测)在“探究加速度与力的关系”的实验中，某同学设计了如图甲所示的实验装置。在调节桌面水平后，利用力传感器来测量细线拉力。 (1)为探究加速度与力的关系，下列实验操作中正确的是________。 A．选用电火花计时器比选用电磁打点计时器实验误差会更小 B．实验过程中，沙和沙桶的质量可以约等于小车的质量 C．力传感器的示数即小车所受合外力的大小 D．先用手将小车按在图甲所示位置，然后接通电源再释放小车 AB (1)电火花对纸带的阻力较小，实验误差较小，A正确；传感器可测出小车所受拉力，对沙和沙桶的质量没有要求，B正确；传感器示数的2倍减摩擦阻力等于小车所受合力，C错误；小车应该在靠近打点计时器的位置释放，D错误。 (2)该同学在实验中得到一条纸带如图乙所示，相邻计数点间有4个点未画出，打点计时器所接交流电的频率为50 Hz，小车的加速度大小为________ m/s2(结果保留两位有效数字)。 2.4 (3)该同学在小车内放置一质量为m0的砝码，多次改变沙的质量，通过实验得到多组a、F数据，并利用测量数据画出a-F图像，已知图线的斜 率大小为k，则小车的质量为________(用k、m0表示)。 B (5)在利用图甲装置进行实验时，是否需要平衡阻力？如果需要，请说明如何操作；如果不需要，请说明理由。__________________________ ______________________________________________________________________________________________。 (5)需要平衡摩擦力。在不挂重物的情况下，将长木板远离定滑轮的一端适当垫高，轻推小车，如打出纸带的点迹间距几乎相等即可说明平衡阻力成功。 需要，在不挂重物的情况下， 将长木板远离定滑轮的一端适当垫高，轻推小车，如打出纸带的点迹间距几乎相等即可说明平衡阻力成功 角度2　实验设计创新 [典例4]　(2023·河北邯郸统考)用下列器材测量小车质量M：小车、一端带有定滑轮的平直轨道、垫块、细线、打点计时器、纸带、频率为50 Hz的交流电源、直尺、6个槽码。每个槽码的质量均为m＝10 g。 (1)完成下列实验步骤中的填空。 ①按图甲安装好实验器材，跨过定滑轮的细线一端连接在小车上，另一端悬挂着6个槽码。改变轨道的倾角，用手轻拨小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列________的点，表明小车沿倾斜轨道匀速下滑； 等间距 (1)①改变轨道的倾角，用手轻拨小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列等间距的点，表明小车沿倾斜轨道匀速下滑。 (2)已知重力加速度大小g取9.80 m/s2，以下计算结果均保留三位有效数字，请完成下列填空。 ①下列说法正确的是________； A．接通电源后，再将小车从靠近打点计时器处释放 B．小车下滑时，位于定滑轮和小车之间的细线应始终跟倾斜轨道保持平行 C．实验中必须保证细线下端悬挂槽码的质量远小于小车 D．若细线下端悬挂着2个槽码，则小车在下滑过程中受到的合外力大小为4mg AB 0.723 0.820 0.185 (2)①接通电源后，再将小车从靠近打点计时器处释放，A正确；小车下滑时，为了保证小车所受合力不变，保证实验的准确性，位于定滑轮和小车之间的细线应始终跟倾斜轨道保持平行，B正确；因为减少的槽码的重力等于系统的合力，且每个槽码的质量已知，故选择小车和悬挂的所有槽码为研究对象，则实验中不必保证细线下端悬挂槽码的质量远小于小车的质量，C错误；若细线下端悬挂着2个槽码，小车加速下滑，槽码加速上升，槽码超重，故细线对小车的拉力大于2个槽码的重力，所以小车下滑过程中受到的合外力小于4mg，D错误。 角度3　实验目的创新 [典例5]　(2023·贵州毕节检测)某同学受太空中测量质量方法的启示，设计了如图甲的实验装置，利用动力学方法测量沙桶中沙的质量。 主要实验步骤如下： ①平衡好摩擦力后，在沙桶中加入质量为m0的沙； ②接通传感器电源，释放小车，利用传感器测出对应的位移与时间(x-t)图像； ③在沙桶和沙质量不变的情况下，改变小车的质量，测量出不同的加速度。 (1)图乙是当小车质量为M＝0.2 kg时，运动过程中传感器记录下的x-t图像，由图可知，小车的加速度a＝________ m/s2。 2 0.04 (2)根据牛顿第二定律有T＝Ma，(m＋m0)g－T＝(m＋m0)a，解得m0＝0.04 kg。 三 达标检测 巩固提高 2 3 4 5 1 1．(2023·福建南平检测)某实验小组利用如图甲所示的装置探究物体的加速度与力的关系，调整木板的倾角平衡阻力后，挂上小桶，带动小车运动并打出纸带。 2 3 4 5 1 (1)实验中打出的其中一条纸带如图乙所示。相邻计数点间的时间间隔是0.10 s，由此可以算出小车运动的加速度是________m/s2(结果保留三位有效数字)。 1.46 2 3 4 5 1 (2)利用测得的数据，可得到小车质量M一定时，小车运动 的加速度a和所受拉力F的关系图像如图丙所示(F＝mg，m 为沙和小桶的总质量，g为重力加速度)。 拉力F较大时，a-F图线明显弯曲，产生误差。若不断增加小桶中沙的质量，a-F图像中各点连成的曲线将不断延伸，那么加速度a的趋向值为________(用题中出现的物理量符号表示)。为了减小上述误差，可采取的有效措施是________。 A．测小车的加速度时，利用速度传感器代替纸带和打点计时器 B．将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替沙和小桶的重力 g B 2 3 4 5 1 (2)若不断增加小桶中沙的质量，a-F图像中各点连成的曲线将不断延伸，当沙和小桶的质量无限大时，沙和小桶将近似做自由落体运动，所以加速度a的趋向值为g。 通过加入力传感器，将小车受到的实际拉力直接读出来，可以避免用重物的重力代替绳的拉力带来的误差，故选项B正确。 2 3 4 5 1 2．做“探究加速度与力、质量的关系”实验时，图1甲是教材中的实验方案；图1乙是拓展方案，其实验操作步骤如下： ①挂上托盘和砝码，改变木板的倾角，使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑； ②取下托盘和砝码，测出其总质量为m， 让小车沿木板下滑，测出加速度a； ③改变砝码质量和木板倾角，多次测量， 通过作图可得到a与F的关系图像。 2 3 4 5 1 (1)实验获得如图2所示的纸带，计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出，打点计时器频率为50 Hz，则在打d点时小车的速度大小vd＝____________________m/s(结果保留两位有效数字)。 0.19(0.18或0.19均可) 2 3 4 5 1 (2)需要满足条件M≫m的方案是_____(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)；在作a-F图像时，把mg作为F值的是________(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)。 甲 甲和乙 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 3．(2023·江苏新沂检测)图甲是利用气垫导轨探究在外力一定的条件下，物体加速度与质量的关系的实验装置。实验步骤如下： 2 3 4 5 1 ①气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平； ②用游标卡尺测出挡光条的宽度为l； ③由导轨上标尺读出两光电门中心之间的距离为s； ④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动后释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2； ⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间分别为Δt1和Δt2； ⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量为M； ⑦改变滑块的质量，重复步骤④⑤⑥进行多次实验。 2 3 4 5 1 根据上述实验回答下列问题。 (1)关于实验操作，下列说法正确的是________。 A．应先接通光电门后释放滑块 B．调节气垫导轨水平时，应挂上砝码 C．应调节定滑轮使细线和气垫导轨平行 D．每次都应将滑块从同一位置由静止释放 AC (1)先接通光电门后释放滑块，以确保滑块经过光电门时，光电门能正常工作，故选项A正确；挂上砝码后，滑块受拉力作用，因此在调节气垫导轨时应不挂砝码，故选项B错误；调节定滑轮使细线和气垫导轨平行的目的是使滑块所受拉力与运动方向相同，故选项C正确；由于两光电门记录的是滑块通过它们的时间，不需每次经过时速度相等，因此无需将滑块从同一位置由静止释放，故选项D错误。 2 3 4 5 1 (2)用测量物理量的字母表示滑块加速度a＝______________。 2 3 4 5 1 2.5(2.3～2.7均可) 2 3 4 5 1 没有选取滑块和砝码一起作为研究对象(或M没有加上砝码和 砝码盘的质量) (4)图像出现了纵截距，原因是没有选取滑块和砝码一起作为研究对象(或M没有加上砝码和砝码盘的质量)。 2 3 4 5 1 4．(2023·山东德州调研)现要测量滑块与木板之间的动摩擦因数，实验装置如图1所示。表面粗糙的木板一端固定在水平桌面上，另一端抬起一定高度构成斜面；木板上有一滑块，其后端与穿过打点计时器的纸带相连；打点计时器固定在木板上，连接频率为50 Hz的交流电源。接通电源后，从静止释放滑块，滑块带动纸带打出一系列的点迹。 2 3 4 5 1 (1)图2给出的是实验中获取的一条纸带的一部分：0、1、2、3、4、5、6是实验中选取的计数点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，2、3和5、6计数点的距离如图2所示。由图中数据求出滑块的加速度a＝________ m/s2(结果保留三位有效数字)。 2.51 2 3 4 5 1 (2)已知木板的长度为L，为了求出滑块与木板间的动摩擦因数，还应测量的物理量是________。 A．滑块到达斜面底端的速度v B．滑块的质量m C．滑块的运动时间t D．斜面高度h和底边长度x D 2 3 4 5 1 (2)由mg sin θ－μmg cos θ＝ma可知，要求μ，需要知道滑块的加速度、木板与桌面间夹角的正弦值和余弦值，根据纸带数据可算出滑块的加速度大小，再根据斜面高度h和底边长度x，结合三角形知识，即可求解，故A、B、C错误，D正确。 2 3 4 5 1 (3)设重力加速度为g，滑块与木板间的动摩擦因数的表达式为 μ＝______________(用所测物理量的字母表示)。 2 3 4 5 1 5．如图甲所示，在“探究加速度与物体受力关系”的实验中，垫高长木板的一端，调节斜面倾角大小，小车前端不挂沙桶，没有拉力作用时，小车匀速下滑。 (1)平衡阻力后，为使沙和沙桶的总重力约等于小车所受的合外力，应该满足的条件是_______________________________________。 沙和沙桶的总质量远小于小车的质量 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (2)保持小车质量一定，细线的一端系在小车上，另一端系一沙桶，细线跨过滑轮，小车在拉力作用下做匀加速运动，分别测得不同拉力时小车加速度a的数据如表所示。其中F＝0.15 N时得到如图乙所示的纸带，测量A、B、C三点的坐标分别为xA＝0、xB＝5.09 cm、xC＝10.78 cm。已知相邻计数点之间的时间间隔是0.1 s，则小车加速度大小为________ m/s2(结果保留两位有效数字)。 F/N 0.10 0.15 0.18 0.22 0.25 a/(m·s-2) 0.39   0.72 0.88 0.98 0.60 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (3)请根据多次实验的数据描点，在图中规范作出a-F图像。 答案：(3)图见解析 2 3 4 5 1 (3)如图所示。 2 3 4 5 1 (4)通过观察和分析a-F图像，可以得出小车的质量为________ kg(结果保留两位有效数字)。 0.25 $$