4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 提优训练 -2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

2024-2025学年人教版高一物理（必修一） 《4.2实验：探究加速度与力、质量的关系》提优训练 （时间：75分钟 满分：100分） 一、选择题：本题共12小题，每小题4分，共48分。 1．探究加速度与力、质量的关系实验所采用的科学方法是（　　） A．理想实验法 B．等效替代法 C．控制变量法 D．理想模型法 【答案】C 【解析】探究加速度与力、质量的关系时，先控制小车质量不变，探究小车加速度与小车合力之间的关系；再控制小车合力不变，探究小车加速度与小车质量之间的关系．本实验所采用的科学方法是控制变量法。故选C。 2．在物理学发展中，科学家们在研究物理问题时采用了很多物理思想和物理方法，下列关于物理思想和物理方法，说法正确的是（　　） A．伽利略研究力和运动关系采用了等效替代的物理方法 B．将研究对象看作质点是采用了理想化模型的物理思想 C．探究加速度与力、质量的关系时采用了极限法 D．探究力的合成采用了控制变量的物理方法 【答案】B 【解析】A．伽利略研究力和运动关系采用了理想实验的物理方法，A错误；B．将研究对象看作质点是采用了理想化模型的物理思想，B正确；C．探究加速度与力、质量的关系时采用了控制变量法，C错误；D．探究力的合成采用了等效替代的物理方法，D错误；故选B。 3．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，关于平衡摩擦力的说法中不正确的是( ) A．“平衡摩擦力”的本质就是想办法让小车受到的摩擦力为零 B．“平衡摩擦力”的本质就是使小车所受的重力的下滑分力与所受到的摩擦阻力相平衡 C．“平衡摩擦力”的目的就是要使小车所受的合力等于所挂钩码通过细绳和滑轮对小车施加的拉力 D．“平衡摩擦力”是否成功，可由小车拖动由打点计时器打出的纸带上的点迹间距是否均匀而确定 【答案】A 【解析】小车所受的摩擦力不可避免，平衡摩擦力的目的就是使小车的重力沿斜面方向的分力与小车所受的阻力相平衡，其目的是使小车所受的合力等于细绳对小车的拉力，故A错，B、C正确，恰好平衡摩擦力时，小车拖动纸带，不给小车提供拉力，给小车一个初速度，由打点计时器打出的纸带应该是均匀的，故D正确． 4．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，用改变砂的质量的办法来改变对小车的作用力F.用打点计时器测出小车的加速度a，得出若干组F和a的数据，然后根据测得的数据作出如图所示的a－F图线，发现图线既不过原点，又不是直线，原因是(　　) A．没有平衡摩擦力，且小车质量较大 B．平衡摩擦力时，所垫木板太高，且砂和小桶的质量较大 C．平衡摩擦力时，所垫木板太低，且砂和小桶的质量较大 D．平衡摩擦力时，所垫木板太高，且小车质量较大 【答案】C 【解析】题图知，增大F的大小，一开始a始终为零，说明平衡摩擦力时，所垫木板太低，没完全平衡掉摩擦力，随F的增大，图线出现弯曲，说明不能满足小车及砝码的质量远远大于砂的质量，故只有C正确． 第4题图 第5题图 第6题图 5．如图所示，在探究加速度与力、质量的关系的演示实验中，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 【答案】A 【解析】题中m1和m2是车中砝码的质量，绝不能认为是小车的质量．当m1＝m2时，两车总质量仍相等，因F1＝2F2，则a1＝2a2.由x＝at2知，A正确，B错误；若m1＝2m2，两车总质量关系未知，故C、D不能确定． 6．在探究“加速度与质量关系”的实验中，甲、乙、丙、丁四个小组分别保持合力不变，测得若干组数据，并得到如图所示的1、2、3、4四条曲线。转换成图像是四条过原点的直线。则合力最大的是（　　）   A． B． C． D． 【答案】D 【解析】由图可知当物体的质量相等时，有根据牛顿第二定律 可得故合力最大的是。故选D。 7．“探究加速度与力、质量的关系”实验装置如图所示。在实验中，测得小车连同车上砝码的总质量，从下列物体中选取合适的物体取代实验装置中的槽码，应选图中的（ ） A．B．C．D． 【答案】D 【解析】由题知小车连同车上砝码的总质量当槽码的质量远小于小车质量使可以近似认为小车受到的拉力等于槽码的重力，故由图所示可知，物体D可以用来取代实验装置中的槽码。故选D。 8．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，探究加速度a与质量M的关系时，没有注意始终满足M远大于m的条件（m为槽码的质量），结果得到的图像应是（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【解析】根据牛顿第二定律有当M远大于m时，小车所受合外力可认为近似等于mg，a与近似满足正比关系；随着的增大，即随着M的减小，M不再满足远大于m，此时小车所受合外力将逐渐小于mg，使得a与不再近似满足正比关系，从而使图线向下弯曲。故选D。 9．在“探究加速度与物体的受力、物体质量的关系”实验中，可利用图示装置进行对比实验。两小车放置在水平板上，前端通过钩码牵引，后端各系一条细线，用板擦将两条细线按在桌上，使小车静止。抬起板擦，两车同时运动，一段时间后按下板擦，小车同时停下，对比两车的位移，可知加速度与受力大小成正比。对于实验条件，下列说法正确的是（　　） A．钩码质量相同，小车质量不同 B．钩码质量不同，小车质量相同 C．钩码质量相同，小车质量也相同 D．钩码质量不同，小车质量也不同 【答案】B 【解析】研究加速度与受力大小成正比，可知要保证小车的质量相等，钩码的质量不等，故ACD错误，B正确。故选B。 10．物体A、B、C均静止在同一水平面上，它们的质量分别为mA、mB、mC，与水平面的动摩擦因数分别为μA、μB、μC，用平行于水平面的拉力F分别拉物体A、B、C，所得加速度a与拉力F的关系图线如图所示，A、B两直线平行，则以下正确的是（　　） A．μA=μB=μC B．μA＜μB=μC C．mA＜mB＜mC D．mA＜mB=mC 【答案】B 【解析】根据牛顿第二定律可得可知图线的斜率 纵轴截距的绝对值为μg，因为A、B图线的斜率相同，大于C的斜率，则mA=mB＜mC B、C的纵轴截距的绝对值相等，大于A的纵轴截距的绝对值，知μA＜μB=μC故B正确，ACD错误。故选B。 第10题图 第11题图 11．如图（a）为“用DIS研究加速度和力的关系”的实验装置。某实验小组改变所挂钩码的数量，多次重复测量，绘出如图（b）所示的图像。引起误差的主要原因是（　　） A．小车与轨道之间存在摩擦 B．先点击“记录数据”，后释放小车 C．所挂钩码的总质量太大 D．所用小车的质量太大 【答案】A 【解析】由图像可知，直线不过原点，即当外力F到达一定值时小车才会产生加速度，可知其原因是小车与轨道之间存在摩擦。故选A。 12．为探究物体质量一定时加速度与力的关系，某同学设计了如图所示的实验装置，其中M包括小车和与小车固定连接的滑轮的质量，钩码的总质量用m表示。弹簧测力计可测出细线中的拉力大小。则实验时，一定要进行正确操作的是（　　） A．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力 B．用天平测出钩码的总质量 C．为减小误差，实验中一定要保证m远小于M D．小车放在长木板上任意位置，先通电源，后放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数 【答案】A 【解析】A．该实验是用弹簧测力计测量绳子上的拉力，根据小车上所连接动滑轮的作用，可知需平衡摩擦力后，小车和与小车固定连接的滑轮所受到的合外力即为弹簧测力计所测力大小的两倍，而平衡摩擦力的方法是将带滑轮的长木板右端垫高，故A正确；B．本实验中不需要测钩码的质量，因为通过弹簧测力计可直接读取绳子上拉力的大小，从而知道小车和与小车固定连接的滑轮所受到的合外力的大小，故B错误；C．如果该实验装置没有测力仪器，那么就需要让钩码的重力来代替小车和与小车固定连接的滑轮所受到的合外力，而要让钩码的重力代替小车和与小车固定连接的滑轮所受的到合外力则必须满足m远小于M，而该实验中用到了弹簧测力计，可直接测得绳子上得拉力从而知道小车和与小车固定连接的滑轮所受到得合外力，因此该实验不需要保证m远小于M，故C错误；D．为了节约纸带，同时获得足够多得数据点，实验开始前小车要放在长木板上靠近打点计时器的位置，实验时还应先通电源，后放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数，而该过程应重复几次，在打出的纸带中选择点迹清晰的一条纸带用作实验，故D错误。故选A。 二、非选择题(本题共5小题，共52分．按题目要求作答) 13．(12分)如图为“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： (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4－2－10所示)． ①分析此图线的OA段可得出的实验结论是________． ②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 【答案】：(1)小车质量　小车受到的合力(2)①质量一定时，加速度与合外力成正比　②C 【解析】:(1)因为要探究“加速度和力的关系”,所以应保持小车的总质量不变,钩码所受的重力作为小车所受的合外力.(2)由于OA段a-F关系图线为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速度与合外力成正比;由实验原理:mg=Ma得:a=mg/M，而实际上a’=mg/(M+m),可见AB段明显偏离直线是没有满足M＞＞m造成的. 14．(12分)“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”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距离．该小车的加速度a＝________m/s2.(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 加速度a (m·s－2) 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． 【答案】：(1)0.16(0.15也算对)(2)如图所示(3)未计入砝码盘的重力 【解析】：(1)a＝＝m/s2＝0.16 m/s2或a＝＝m/s2＝0.15 m/s2.(2)见答案．(3)小车、砝码盘和砝码组成的系统所受合外力为砝码盘和砝码的总重力，而表中数据漏计了砝码盘的重力，导致合力F的测量值小于真实值，a－F的图线不过原点． 15．（12分）某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图4－2－13甲为实验装置简图(交流电的频率为50 Hz)． (1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(保留两位有效数字)． (2)保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的，数据如下表： 实验次数 物理量　　 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度a/(m·s－2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小车质量m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg－1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 请在如图所示的方格坐标纸中画出a－图线，并依据图线求出小车加速度a与质量倒数之间的关系式是________． (3)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F的变化图线，如图所示．该图线不通过原点，请你分析其主要原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 【答案】(1)3.2 m/s2　(2)见解析　a＝(3)实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不充分 【解析】：(1)连续相等的时间间隔内，从纸带上可得到四段位移的大小，可以选用逐差法计算加速度．由x1＝6.19 cm　x2＝6.70 cmx3＝7.21 cm　x4＝7.72 cm电火花打点计时器周期T＝＝0.02 s用逐差法可得x3－x1＝2a(2T)2　x4－x2＝2a(2T)2故a＝＝＝3.2 m/s2.(2)在a－坐标系中描点连线得a－图线如图所示，可得a＝ (3)由a－F图线F增大至某值时物体开始有加速度，说明实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不充分． 16．（16分）某小组探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图（a）所示，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定一遮光片，细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上钩码。 （1）实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行。再适当垫高轨道左端的目的是 。 （2）小车（包括遮光片）的质量为。利用光电门系统测出不同钩码质量m时小车加速度a。钩码所受重力记为F，作出图像，如图（b）中图线甲所示。 （3）由图线甲可知，F较小时，a与F成正比；F较大时，a与F不成正比。为了进一步探究，将小车（包括遮光片）的质量增加至，重复步骤 （4）测量过程，作出图像，如图（b）中图线乙所示。与图线甲相比，图线乙的线性区间 （填“较大”、“较小”或“相同”）。 （5）再将小车（包括遮光片）的质量增加至，重复步骤（4）的测量过程，作出图像，如图（b）中图线丙所示。 （6）根据以上实验结果猜想和推断：小车（包括遮光片）的质量M 钩码质量m时（填“远大于”、“远小于”），a与F成正比；不满足这个条件时，图像的轨线斜率 ，k会随着钩码质量m的增大而 （填“变大”、“变小”或“不变”）。 【答案】 （1）平衡小车所受摩擦力 （4）较大 （6）远大于 变小 【解析】（1）[1]实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行，再适当垫高轨道左端以平衡小车所受摩擦力。（4）[2]由题图（b）分析可知，与图线甲相比，图线乙的线性区间较大。（6）[3] [4] [5]设绳子拉力为，对钩码根据牛顿第二定律有对小车根据牛顿第二定律有联立解得当时，可认为则即a与F成正比。不满足这个条件时，由上式可知图像的轨线斜率k会随着钩码质量m的增大而变小。 学科网（北京）股份有限公司 $$ 2024-2025学年人教版高一物理（必修一） 《4.2实验：探究加速度与力、质量的关系》提优训练 （时间：75分钟 满分：100分） 一、选择题：本题共12小题，每小题4分，共48分。 1．探究加速度与力、质量的关系实验所采用的科学方法是（　　） A．理想实验法 B．等效替代法 C．控制变量法 D．理想模型法 2．在物理学发展中，科学家们在研究物理问题时采用了很多物理思想和物理方法，下列关于物理思想和物理方法，说法正确的是（　　） A．伽利略研究力和运动关系采用了等效替代的物理方法 B．将研究对象看作质点是采用了理想化模型的物理思想 C．探究加速度与力、质量的关系时采用了极限法 D．探究力的合成采用了控制变量的物理方法 3．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，关于平衡摩擦力的说法中不正确的是( ) A．“平衡摩擦力”的本质就是想办法让小车受到的摩擦力为零 B．“平衡摩擦力”的本质就是使小车所受的重力的下滑分力与所受到的摩擦阻力相平衡 C．“平衡摩擦力”的目的就是要使小车所受的合力等于所挂钩码通过细绳和滑轮对小车施加的拉力 D．“平衡摩擦力”是否成功，可由小车拖动由打点计时器打出的纸带上的点迹间距是否均匀而确定 4．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，用改变砂的质量的办法来改变对小车的作用力F.用打点计时器测出小车的加速度a，得出若干组F和a的数据，然后根据测得的数据作出如图所示的a－F图线，发现图线既不过原点，又不是直线，原因是(　　) A．没有平衡摩擦力，且小车质量较大 B．平衡摩擦力时，所垫木板太高，且砂和小桶的质量较大 C．平衡摩擦力时，所垫木板太低，且砂和小桶的质量较大 D．平衡摩擦力时，所垫木板太高，且小车质量较大 第4题图 第5题图 第6题图 5．如图所示，在探究加速度与力、质量的关系的演示实验中，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．在探究“加速度与质量关系”的实验中，甲、乙、丙、丁四个小组分别保持合力不变，测得若干组数据，并得到如图所示的1、2、3、4四条曲线。转换成图像是四条过原点的直线。则合力最大的是（　　）   A． B． C． D． 7．“探究加速度与力、质量的关系”实验装置如图。在实验中，测得小车连同车上砝码的总质量，从下列物体中选取合适的物体取代实验装置中的槽码，应选图中的（ ） A．B．C．D． 8．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，探究加速度a与质量M的关系时，没有注意始终满足M远大于m的条件（m为槽码的质量），结果得到的图像应是（　　） A． B． C． D． 9．在“探究加速度与物体的受力、物体质量的关系”实验中，可利用图示装置进行对比实验。两小车放置在水平板上，前端通过钩码牵引，后端各系一条细线，用板擦将两条细线按在桌上，使小车静止。抬起板擦，两车同时运动，一段时间后按下板擦，小车同时停下，对比两车的位移，可知加速度与受力大小成正比。对于实验条件，下列说法正确的是（　　） A．钩码质量相同，小车质量不同 B．钩码质量不同，小车质量相同 C．钩码质量相同，小车质量也相同 D．钩码质量不同，小车质量也不同 10．物体A、B、C均静止在同一水平面上，它们的质量分别为mA、mB、mC，与水平面的动摩擦因数分别为μA、μB、μC，用平行于水平面的拉力F分别拉物体A、B、C，所得加速度a与拉力F的关系图线如图所示，A、B两直线平行，则以下正确的是（　　） A．μA=μB=μC B．μA＜μB=μC C．mA＜mB＜mC D．mA＜mB=mC 第10题图 第11题图 11．如图（a）为“用DIS研究加速度和力的关系”的实验装置。某实验小组改变所挂钩码的数量，多次重复测量，绘出如图（b）所示的图像。引起误差的主要原因是（　　） A．小车与轨道之间存在摩擦 B．先点击“记录数据”，后释放小车 C．所挂钩码的总质量太大 D．所用小车的质量太大 12．为探究物体质量一定时加速度与力的关系，某同学设计了如图所示的实验装置，其中M包括小车和与小车固定连接的滑轮的质量，钩码的总质量用m表示。弹簧测力计可测出细线中的拉力大小。则实验时，一定要进行正确操作的是（　　） A．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力 B．用天平测出钩码的总质量 C．为减小误差，实验中一定要保证m远小于M D．小车放在长木板上任意位置，先通电源，后放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数 二、非选择题(本题共5小题，共52分．按题目要求作答) 13．(12分)如图为“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： (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4－2－10所示)． ①分析此图线的OA段可得出的实验结论是________． ②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 14．(12分)“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”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距离．该小车的加速度a＝________m/s2.(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 加速度a (m·s－2) 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． 15．（12分）某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图4－2－13甲为实验装置简图(交流电的频率为50 Hz)． (1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(保留两位有效数字)． (2)保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的，数据如下表： 实验次数 物理量　　 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度a/(m·s－2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小车质量m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg－1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 请在如图所示的方格坐标纸中画出a－图线，并依据图线求出小车加速度a与质量倒数之间的关系式是________． (3)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F的变化图线，如图所示．该图线不通过原点，请你分析其主要原因是________________________________________________________________________ 16．（16分）某小组探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图（a）所示，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定一遮光片，细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上钩码。 （1）实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行。再适当垫高轨道左端的目的是 。 （2）小车（包括遮光片）的质量为。利用光电门系统测出不同钩码质量m时小车加速度a。钩码所受重力记为F，作出图像，如图（b）中图线甲所示。 （3）由图线甲可知，F较小时，a与F成正比；F较大时，a与F不成正比。为了进一步探究，将小车（包括遮光片）的质量增加至，重复步骤 （4）测量过程，作出图像，如图（b）中图线乙所示。与图线甲相比，图线乙的线性区间 （填“较大”、“较小”或“相同”）。 （5）再将小车（包括遮光片）的质量增加至，重复步骤（4）的测量过程，作出图像，如图（b）中图线丙所示。 （6）根据以上实验结果猜想和推断：小车（包括遮光片）的质量M 钩码质量m时（填“远大于”、“远小于”），a与F成正比；不满足这个条件时，图像的轨线斜率 ，k会随着钩码质量m的增大而 （填“变大”、“变小”或“不变”）。 学科网（北京）股份有限公司 $$