第3章 实验四 探究加速度与物体受力、物体质量的关系(教用Word)-【金榜题名】2026年高考物理一轮总复习

实验四　探究加速度与物体受力、物体质量的关系 原理装置图 操作要求 注意事项 图1 1．控制变量法 (1)保持小车质量不变，探究加速度与合力的关系． (2)保持小车所受合力不变，探究加速度与质量的关系． 2．改变小车质量M或槽码质量m时，无需重新补偿阻力． 3．使用力传感器或弹簧测力计可测出细绳拉力时，无需满足M≫m. 1.用天平测量槽码的质量m和小车的质量M. 2．根据设计要求安装实验装置，只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上． 3．在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑． 4．槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上，接通电源后放开小车，断开电源取下纸带，编写号码，保持小车质量M不变，改变槽码质量m，重复实验得到纸带；保持槽码的质量m不变，改变小车的质量M，重复实验得到纸带． 1.补偿阻力：补偿阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，让小车连着纸带匀速运动 2．质量：槽码质量m远小于小车质量M 3．平行：使细绳与长木板平行 4．靠近：小车从靠近打点计时器的位置释放 5．先后：实验时先接通电源后释放小车 续表 原理装置图 操作要求 注意事项 数据处理 1.利用Δx＝aT2及逐差法求a. 2．以a为纵坐标，F为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，说明a与F成正比． 3．以a为纵坐标，为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与M成反比． 考点一　教材原型实验 [例1]　(2025·太原期末)在用图甲所示的装置探究小车的加速度a与力F的关系时，认为小车所受合力F等于槽码的重量． (1)下列操作正确的是________； A.调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行 B.为使细线的拉力等于小车受到的合力，木板应保持水平 C.补偿阻力时，应在细线的下端悬挂槽码，使小车在细线的牵引下匀速运动 D.细线下端悬挂槽码的质量应远大于小车的质量 (2)实验中，当槽码的重力为0.10 N时得到的纸带如图乙所示．图中A～E为计数点，每相邻两个计数点间还有4个点没有画出．已知打点计时器使用交流电的频率为50 Hz，可求得小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位小数)； (3)多次改变槽码的重力，测出对应小车的加速度并描绘在图丙中，将(2)中的数据描绘在图丙中，连同已描出的点绘出小车的a－F图像______； (4)由图丙中的图线可得到的结论是，当小车的质量保持不变时，小车的加速度a和力F________． 【解析】　(1)A.调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行有利于减小误差，A项正确； B.为使细线的拉力等于小车受到的合力，应该平衡摩擦力，木板适当倾斜，B项错误； C.补偿阻力时，细线下不应挂槽码，使小车做匀速运动，C项错误； D.细线下端悬挂槽码的质量应远小于小车的质量，D项错误． 故选A. (2)由题知，计数点之间的时间间隔为T＝0.1 s，由 xCE－xAC＝a(2T)2 得小车运动的加速度为 a＝0.47 m/s2 (3)将F＝0.1 N，a＝0.47 m/s2描绘在图丙中，连接后延长至交于坐标轴得 (4)由图丙中的图线可得到的结论是，当小车的质量保持不变时，小车的加速度a和力F成正比． 【答案】　(1)A　(2)0.47　(3)见解析　(4)成正比 [对点训练] 1．(2024·甘肃高考)用图1所示实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系． (1)以下操作正确的是______(单选，填正确答案标号). A.使小车质量远小于槽码质量 B.调整垫块位置以补偿阻力 C.补偿阻力时移去打点计时器和纸带 D.释放小车后立即打开打点计时器 (2)保持槽码质量不变，改变小车上砝码的质量，得到一系列打点纸带．其中一条纸带的计数点如图2所示，相邻两点之间的距离分别为S1，S2，…，S8，时间间隔均为T.下列加速度算式中，最优的是______(单选，填正确答案标号). A.a＝ B.a＝ C.a＝ D.a＝ (3)以小车和砝码的总质量M为横坐标，加速度的倒数为纵坐标，甲、乙两组同学分别得到的－M图像如图3所示． 由图可知，在所受外力一定的条件下，a与M成______(填“正比”或“反比”)；甲组所用的______(填“小车”“砝码”或“槽码”)质量比乙组的更大． 【解析】　(1)A.为了使小车所受的合外力大小近似等于槽码的总重力，故应使小车质量远大于槽码质量，故A错误； B.为了保证小车所受细线拉力等于小车所受合力，则需要调整垫块位置以补偿阻力，也要保持细线和长木板平行，故B正确； C.补偿阻力时不能移去打点计时器和纸带，需要通过纸带上点迹是否均匀来判断小车是否做匀速运动，故C错误； D.根据操作要求，应先打开打点计时器再释放小车，故D错误． 故选B. (2)根据逐差法可知 S5－S1＝4a1T2 S6－S2＝4a2T2 S7－S3＝4a3T2 S8－S4＝4a4T2 联立可得小车加速度表达式为 a＝ 故选D. (3)根据图像可知与M成正比，故在所受外力一定的条件下，a与M成反比； 设槽码的质量为m，则由牛顿第二定律 mg＝(m＋M)a 化简可得＝·M＋ 故斜率越小，槽码的质量m越大，由图可知甲组所用的槽码质量比乙组的更大． 【答案】　(1)B　(2)D　(3)反比　槽码 考点二　教材创新实验 拉力传感器、弹簧测力计“近似等于小盘和砝码的总重力”． [例2]　(2024·陕西渭南测试)某实验小组应用如图所示装置探究加速度与物体受力的关系，已知小车的质量为M，砝码及砝码盘的总质量为m，所使用的打点计时器所接的交流电的频率为50 Hz.实验步骤如下： A.按图所示安装好实验装置，其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直； B.调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下匀速运动； C.挂上砝码盘，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求出小车的加速度； D.改变砝码盘中砝码的质量，重复步骤C，求得小车在不同合力作用下的加速度． 根据以上实验过程，回答以下问题： (1)对于上述实验，下列说法正确的是________． A.小车的加速度与砝码盘的加速度大小相等 B.实验过程中砝码盘处于超重状态 C.与小车相连的轻绳与长木板一定要平行 D.弹簧测力计的读数应为砝码和砝码盘总重力的一半 E.砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量 (2)实验中打出的其中一条纸带如图所示，由该纸带可求得打下A点时小车的速度v＝______m/s，小车的加速度a＝________m/s2.(结果保留两位有效数字) (3)图中的小车加速度a与弹簧测力计的示数F的关系图像，与本实验相符合的是________． 【解析】　(1)A.由图可知，小车的加速度是砝码盘的加速度大小的2倍，故A错误； B.实验过程中，砝码向下加速运动，处于失重状态，故B错误； C.小车相连的轻绳与长木板一定要平行，保证拉力沿着木板方向，故C正确； D.实验过程中，砝码向下加速运动，处于失重状态，故弹簧测力计的读数小于砝码和砝码盘总重力的一半，故D错误； E.小车的拉力由弹簧测力计测得，则不需要砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量的条件，故E错误． 故选C. (2)由于打点计时器所接的交流电的频率为50 Hz，则相邻两个计数点之间的时间间隔为T＝5×0.02 s＝0.1 s 根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度，由纸带数据可得，打下A点时小车的速度 vA＝m/s≈0.73 m/s 由逐差法可得，小车的加速度为 a＝m/s2＝ 0．88 m/s2 (3)由题意可知，小车的加速度a与弹测力计的示数F的关系应该是成正比，即 a＝·F 可知图像为过原点的一条倾斜直线． 故选A. 【答案】　(1)C　(2)0.73　0.88　(3)A [例3]　(2025·南通期末)某实验小组利用图甲所示的实验装置验证牛顿第二定律． (1)下列实验操作步骤，正确的顺序是______． ①将挂有槽码的细线绕过定滑轮系在滑块上，滑块移到光电门1右侧某位置A处 ②改变槽码和滑块质量，重复实验 ③把气垫导轨放在水平桌面上，将装有遮光条的滑块放在导轨上，打开气源开关，调节导轨至水平 ④多次改变光电门2的位置，滑块每次都由A处静止释放，记录t1和t2 ⑤从A处由静止释放滑块，记录滑块从光电门1运动到光电门2的时间t1和遮光条通过光电门2的遮光时间t2 (2)实验记录和处理的某组数据如下表： t1/s 0.81 0.91 1.09 1.24 1.46 1.67 t2/(×10-3s) 7.14 6.25 5.26 4.54 3.85 3.33 /s-1 140 160 190 220 260 300 请根据表中数据，在图乙中作出－t1图像． (3)根据图像求得图线的斜率k＝______s-2(结果保留两位有效数字). (4)实验中，测得遮光条的宽度为d，滑块和遮光条的总质量为M，槽码的质量为m，用槽码的重力代替细线的拉力．已知重力加速度为g.在误差允许范围内，如果(3)中所求k满足k＝______(用符号d、m、M、g表示).则验证了牛顿第二定律． (5)实验小组发现图线斜率的测量值总小于理论值，产生该系统误差的原因是______(写出一个即可). 【解析】　(1)实验时先调节轨道水平，然后放好挂着槽码的细线和滑块，释放滑块后记录通过光电门的时间，最后重复几次实验，则实验操作正确的顺序是③①⑤④②； (2)图像如图 (3)根据图像求得图线的斜率 ＝1.9×102s-2 (4)根据mg＝Ma v＝＝at1 即＝t1 图像的斜率k＝ 即在误差允许范围内，如果(3)中所求k满足 k＝ 则验证了牛顿第二定律． (5)将槽码的重力代替细线的拉力，则理论值偏大，从而使得图线斜率的测量值总小于理论值． 【答案】　(1)③①⑤④② (2)图见解析 (3)1.9×102 (4) (5)将槽码的重力代替细线的拉力 考点三　教材实验拓展——测动摩擦因数或物体的质量 [例4]　(2023·湖北高考)某同学利用测质量的小型家用电子秤，设计了测量木块和木板间动摩擦因数μ的实验． 如图(a)所示，木板和木块A放在水平桌面上，电子秤放在水平地面上，木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连．调节滑轮，使其与木块A间的轻绳水平，与重物B间的轻绳竖直．在木块A上放置n(n＝0，1，2，3，4，5)个砝码(电子秤称得每个砝码的质量m0为20.0 g)，向左拉动木板的同时，记录电子秤的对应示数m. (1)实验中，拉动木板时________(填“必须”或“不必”)保持匀速． (2)用mA和mB分别表示木块A和重物B的质量，则m和mA、mB、m0、μ、n所满足的关系式为m＝________________． (3)根据测量数据在坐标纸上绘制出m－n图像，如图(b)所示，可得木块A和木板间的动摩擦因数μ＝________(保留两位有效数字). 【解析】　(1)木块与木板间的滑动摩擦力与两者之间的相对速度的大小无关，则实验中拉动木板时不必保持匀速． (2)对木块、砝码以及重物B分析可知μ(mA＋nm0)g＋mg＝mBg 解得m＝mB－μ(mA＋nm0). (3)根据m＝mB－μmA－μm0·n 结合图像可知μm0＝k＝ g＝8 g 则μ＝0.40. 【答案】　(1)不必　(2)mB－μ(mA＋nm0) (3)0.40 [对点训练] 2．(2022·山东高考)在天宫课堂中，我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验．受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示．主要步骤如下： ①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上； ②接通气源，放上滑块．调平气垫导轨； ③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块．弹簧处于原长时滑块左端位于O点．A点到O点的距离为5.00 cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时； ④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示． 回答以下问题(结果均保留两位有效数字)： (1)弹簧的劲度系数为________ N/m. (2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a－F图像如图丙中Ⅰ所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为________ kg. (3)该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a－F图像Ⅱ，则待测物体的质量为________ kg. 解析：(1)由题意及图乙的F－t图像有 Δx＝5.00 cm，F＝0.610 N 根据胡克定律有k＝ 可得k≈12 N/m. (2)根据牛顿第二定律有F＝ma，则a－F图像的斜率表示滑块与加速度传感器的总质量的倒数，根据题图丙中Ⅰ，有＝ kg-1＝5 kg-1 则滑块与加速度传感器的总质量为m＝0.20 kg. (3)滑块上增加待测物体，同理，根据题图丙中Ⅱ，则有 ＝ kg-1＝3 kg-1 则滑块、待测物体与加速度传感器的总质量为 m′≈0.33 kg 则待测物体的质量为 Δm＝m′－m＝0.13 kg. 答案：(1)12　(2)0.20　(3)0.13 学科网（北京）股份有限公司 $$