第3章 实验四 探究加速度与力、质量的关系（教师用书Word）-【正禾一本通】2026年新高考物理高三一轮总复习高效讲义

实验四　探究加速度与力、质量的关系 【备考目标】　1.理解实验原理、方法，明确实验过程，能用图像法处理数据。 2.了解实验的操作技巧、注意事项等，会对实验进行误差分析。 3.理解实验的改进与创新，重视教材实验方法与技能的迁移应用。 实验01步，理清实验过程　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．实验思路 如图所示，小车在槽码的牵引下做加速运动。 (1)保持小车质量不变，通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力，探究加速度与拉力的定量关系。 (2)保持小车所受的拉力不变，通过在小车上增加重物改变小车的质量，探究加速度与质量的定量关系。 2．物理量的测量 (1)质量的测量：用天平测量。在小车中增减钩码的数量可改变小车的质量。 (2)加速度的测量：将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出的点，利用逐差法或v ­t图像法确定小车的加速度。 (3)力的测量 在满足以下两个条件的情况下，可以认为：小车受到的合力近似等于悬挂槽码的重力。 3．进行实验 (1)用天平测量小车的质量m，并把数值记录下来。 (2)按如图所示的装置把实验器材安装好，小车上先不要系细线。 (3)把木板没有定滑轮的一侧垫高，调节木板的倾斜度，使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板匀速运动。 (4)把细线绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码，让小车靠近打点计时器。先启动打点计时器，后放开小车，让小车拖着纸带在木板上加速。 (5)保持小车的质量不变，改变小车所受的拉力，多次进行实验，并记录相关数据。 (6)保持小车所受的拉力不变，改变小车的质量，多次进行实验，并记录相关数据。 4．数据分析 (1)分析加速度a与拉力F的关系 以加速度a为纵坐标，以拉力F为横坐标，作出a ­F图像。若图像是一条过原点的倾斜直线，说明保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成正比。 (2)分析加速度a与质量m的关系 以a为纵坐标，以为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a ­图像。若a ­图像是一条过原点的倾斜直线，说明保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比。 5．误差分析 [辨析明理] 判断下列说法的正误 (1)实验需要探究三个物理量之间的关系，所以利用了控制变量法的思路。(√) (2)实验需要测量物体的加速度，所以必须用到刻度尺和秒表两个仪器。(×) (3)在小车所受的阻力得到补偿的条件下，悬挂槽码的重力就是小车受到的合力。(×) (4)在阻力得到补偿的情况下，当改变小车的质量时，无需再次补偿。(√) (5)若实验中得到的a ­F图像是一条直线，则说明物体的加速度和拉力成正比。(×) 实验02步，透析常见考法　　　　　　　　　　　　　　　　　　 类型(一) 教材原型实验 【例1】 某同学利用如图甲所示装置“探究物体的加速度与合力的关系”，调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码。 (1)该实验必须采用控制变量法，应保持________不变，并且要使小车的质量________(选填“远大于”“等于”或“远小于”)钩码的质量，用悬挂钩码的重力作为小车所受的合力，用打点计时器测小车的加速度。 (2)图乙是实验中得到的一条纸带，该纸带上相邻两个计数点间还有4个点未标出，打点计时器使用交流电的频率是50 Hz，则小车的加速度大小是________m/s2 (结果保留2位有效数字)。 (3)改变所挂钩码的数量，多次重复测量。根据测得的多组数据画出a ­F关系图线如图所示，此图线不过坐标原点，且AB段明显偏离直线，造成该现象的主要原因可能是________。 A．小车与轨道之间存在摩擦 B．木板的倾角过小 C．所挂钩码的总质量太大 D．所用小车的质量太大 解析：(1)因为要探究物体的加速度与合力的关系，所以实验中应保持小车的质量不变。该实验已平衡摩擦力，只要再满足小车的质量远大于钩码的质量，就可以用钩码所受的重力作为小车所受合外力。 (2)相邻两计数点间的时间间隔为t＝0.02 s×5＝0.1 s，由逐差法可得，小车的加速度为a＝＝m/s2＝0.38 m/s2。 (3)图线与横坐标的交点说明：当拉力F增加到一定值时小车才有加速度，所以图线不过坐标原点的原因是没有平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角太小，故A、B正确；由图线可知，当拉力F很大时，AB段发生弯曲，这是因为钩码的质量太大，不满足钩码的质量比小车的质量小很多的条件，故C正确，D错误。 答案：(1)小车的质量　远大于　(2)0.38　(3)ABC [思维延伸]若实验中作出的a ­F图像如图所示，则造成该现象的原因是什么？ 提示：由图像知没挂钩码(拉力为零)时小车便已产生了加速度，原因是平衡摩擦力时长木板的倾角过大。 类型(二) 拓展创新实验 1．实验仪器的改进 如图所示，该实验装置用光电计时器代替打点计时器，用气垫导轨代替长木板(无需平衡摩擦力)，用传感器直接测量绳的拉力。 2．测量原理的改进 如用弹簧秤或力传感器直接测量绳的拉力，或以悬挂的槽码和小车整体为研究对象，则对悬挂槽码的质量大小没有要求；根据匀变速直线运动的x ­t、v ­t或v ­x等关系，通过测量位移、速度、时间计算加速度。 3．实验目的的变化 如通过测量力、加速度间接确定物体的质量；利用本实验的装置测量接触面之间的动摩擦因数等。 【例2】 (2024·黑龙江哈尔滨检测)某同学设计了如图甲所示的装置来探究小车的加速度与所受合力的关系。将装有力传感器的小车放置于水平长木板上，缓慢向小桶中加入细砂，直到小车刚开始运动为止，记下传感器的最大示数F0，以此表示小车所受摩擦力的大小。再将小车放回原处并按住，继续向小桶中加入细砂，记下传感器的示数F1。 (1)接通频率为50 Hz的交流电源，释放小车，打出如图乙所示的纸带。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，则小车加速度a＝________m/s2。(保留两位有效数字) (2)改变小桶中砂的质量，多次重复实验，记下小车加速运动时传感器的示数F2，获得多组数据，作出小车加速度a与合力F(F＝F2－F0)的关系图像，不计纸带与计时器间的摩擦，下列图像中正确的是________。 (3)同一次实验中，小车加速运动时传感器示数F2与小车释放前传感器示数F1的关系是F2________ F1(选填“＜”“＝”或“＞”) 。 (4)关于该实验，下列说法中正确的是________。 A．小车和传感器的总质量必须远大于小桶和砂的总质量 B．实验中需要将长木板右端垫高 C．实验中需要测出小车和传感器的总质量 D．用加砂的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，可更方便地获取多组实验数据 解析：(1)由于相邻两个计数点间还有4个点，所以相邻的计数点间的时间间隔T＝0.1 s，由逐差法可得加速度的大小a＝×10－2 m/s2＝0.16 m/s2。 (2)由于已经平衡掉摩擦力，所以a ­F图像为一条过原点的倾斜直线，故B正确。 (3)对小桶受力分析，设小桶重力为mg，小车释放前传感器的示数为F1，则F1＝mg，小车在加速运动时传感器的示数为F2，则根据牛顿第二定律得mg－F2＝ma，所以F1>F2。 (4)该实验中力传感器可以直接读出拉力的大小，所以不需要使小车和传感器的总质量远大于小桶和砂的总质量，故A错误；实验中不需要将长木板右端垫高，因为已经测量了小车所受摩擦力的大小，故B错误；实验中不需要测出小车和传感器的总质量，只需要保证小车和传感器的总质量不变，故C错误；用加砂的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，可更方便地获取多组实验数据，故D正确。 答案： (1)0.16　(2)B　(3)＜　(4)D 【例3】 用如图甲所示的装置做“探究加速度与力、质量的关系”的实验。 (1)在补偿小车阻力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示。打点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，测量并标出相邻计数点之间的距离，该小车的加速度a＝________ m/s2。 (2)正确补偿阻力后，将5个相同的槽码都放在小车上。挂上槽码盘，然后每次从小车上取一个槽码添加到槽码盘中，测量小车的加速度。小车的加速度a与槽码盘中槽码总重力F的实验数据如下表： 槽码盘中槽 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 请根据实验数据在下图中作出a ­F关系图像。 (3)本实验已正确补偿了阻力，根据提供的实验数据作出的a ­F图线不通过原点，主要原因是：________________________________________________________________________。 (4)该实验________(选填“需要”或“不需要”)要求槽码和槽码盘的质量比小车的质量小很多。 解析：(1)由题意可知，相邻计数点间的时间间隔T＝5T0＝0.1 s，由题图乙可知Δx＝0.16 cm＝1.6×10－3 m，根据Δx＝aT2，可得该小车的加速度a＝0.16 m/s2。 (2)根据实验数据绘出a ­F图像如图所示。 (3)正确补偿阻力后，所作a ­F图像仍不通过原点，且当F＝0(即槽码盘中没有槽码)时，小车就有加速度，这是由于槽码盘的重力引起的，所以图像不过原点的原因是：计算拉力F时忘记加入槽码盘的重力。 (4)该实验以小车、槽码和槽码盘整体为研究对象，当每次从小车上取一个槽码添加到槽码盘中时，整体受到的合力就是槽码盘和盘中槽码的总重力，整体的质量保持不变，所以不需要槽码和槽码盘的质量比小车的质量小很多。 答案：(1)0.16　(2)见解析　(3)计算拉力F时忘记加入槽码盘的重力　(4)不需要 [应考反思]当实验原理、装置、目的等发生变化时，相应的实验条件、操作和误差等也会相应变化，切忌将教材原型实验中的内容“生搬硬套”。 学科网（北京）股份有限公司 $