第16讲 探究加速度与物体受力、物体质量的关系 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验专题，依据高考评价体系梳理了控制变量法应用、实验操作规范、数据处理（图像法/逐差法）、误差分析四大考查维度，通过近三年高考真题统计明确实验原理与操作占比达60%的高频考点，归纳选择、填空、计算三类常考题型。 课件亮点在于“高考真题深度解析+核心素养培养+应试技巧指导”，如以2024浙江卷为例，剖析控制变量法应用及平衡阻力操作要点，培养科学思维（科学推理）和科学探究（证据处理）素养，指导学生掌握逐差法求加速度、a-F图像误差分析等技巧，助力学生高效突破考点，教师可据此实施精准复习教学。

第16讲探究加速度与物体受力、物体质量的关系 基础 自主落实 课前 自检自测·回归教材 一、实验目的 1.学会用控制变量法研究物理量的关系。 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。 二、实验器材 打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。 三、实验操作 (1)要平衡阻力 (2)须满足槽码质量远小于小车质量 满足以上两个条件后,认为槽码的重力大小等于小车的合力大小 1.测质量:用天平测出小车的质量M和槽码的质量m。 2.安装:按装置图把实验器材安装好,先不要把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。 3.平衡阻力:在长木板没有滑轮的一端下面垫一木块,反复移动木块的位置,直至小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动。 4.打纸带 (1)悬挂槽码并打纸带:在细绳一端挂上槽码,另一端系在小车前端。先开启打点计时器,再释放小车,在纸带上打出一系列点,取下纸带编上号码。 (2)改变小车受力:保持小车的质量(M)不变,通过增加悬挂的槽码(m)的数量改变小车受力,多次重复步骤(1)。 (3)改变小车质量:保持悬挂的槽码(m)的数量(小车所受的拉力)不变,通过增加或减少小车上的槽码(m)的方式,改变小车的总质量,多次重复步骤(1)。 四、数据处理 1.计算加速度:在每条纸带上选取一段比较理想的部分,利用Δx=aT2及逐差法求a。 2.探究加速度与力的关系:根据多组(a,F)数据作a-F图像,如果这些点在一条过原点的直线上,如图甲,说明a与F成正比(即a∝F)。 3.探究加速度与质量的关系: 根据多组(a,M)数据作出a-图像,如果 这些点在一条过原点的直线上,如图乙 所示,说明a与M成反比。 五、误差分析 1.实验原理不完善:本实验用小盘和砝码所受的总重力代替小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码所受的总重力。 2.摩擦力平衡不准确、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。 易错辨析 (1)平衡阻力时不能在细绳的另一端挂小盘和砝码。(　　) (2)平衡阻力时应让小车连上纸带,且让打点计时器处于工作状态。(　　) (3)平衡阻力时可根据纸带上的点迹是否均匀来判断小车是否做匀速运动。 (　　) (4)只有小盘和砝码的质量比小车的质量小得多时,线上的拉力才视为等于小盘和砝码所受的重力。(　　) (5)每次放砝码于小车上改变小车质量时都需重新平衡阻力。(　　) √ √ √ √ × 考点一　教材原型实验 能力 探究突破 课中 课堂互动·考教衔接 角度一　实验原理和实验操作 实验注意事项 1.平行:牵引小车的细绳要与长木板平行。 2.平衡阻力 (1)操作:①不系挂槽码;②反复调节长木板的倾角,使纸带上打出的点迹均匀。 (2)目的:用重力沿斜面向下的分力平衡阻力,使绳的拉力等于槽码的重力。 (3)注意点:改变槽码的个数或小车的质量时,不需重新平衡阻力。 3.质量条件:小车的质量远大于槽码的质量,这是槽码的重力视为小车合力的前提条件之一。 4.靠近与先后:开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,再放开小车。 5.作图:两坐标轴单位长度的比例要适当,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能均匀地分布在所作直线两侧。 例1 (2024浙江卷)如图所示是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。 (1)该实验中同时研究三个物理量间关系是很困难的,因此我们采用的研究方法是　　　　。   A.放大法 B.控制变量法 C.补偿法 (2)该实验过程中操作正确的是　　　　。   A.平衡阻力时小车未连接纸带 B.先接通打点计时器电源,后释放小车 C.调节滑轮高度使细绳与水平桌面平行 B B (3)在小车质量　　　　　　　(选填“远大于”或“远小于”)槽码质量时,可以认为细绳拉力近似等于槽码所受的重力。上述做法引起的误差为 　　　　　　　　(选填“偶然误差”或“系统误差”)。为减小此误差,下列可行的方案是　　　　。   A.用气垫导轨代替普通导轨,滑块代替小车 B.在小车上加装遮光条,用光电计时系统代替打点计时器 C.在小车与细绳之间加装力传感器,测出小车所受拉力大小 远大于 系统误差 C (4)经正确操作后获得一条如图所示的纸带,建立以计数点0为坐标原点的x轴,各计数点的位置坐标分别为0、x1、…、x6。已知打点计时器的打点周 期为T,则打计数点5时小车速度的表达式v=　　　　　　。小车加速度的 表达式是　　　　　　。   A.a= B.a= C.a= A 解析 (1)该实验中同时研究三个物理量间关系是很困难的,因此我们可以控制其中一个物理量不变,研究另外两个物理量之间的关系,即采用了控制变量法。故选B。 (2)平衡阻力时小车需要连接纸带,一方面是需要连同纸带所受的阻力一并平衡,另外一方面是通过纸带上的点间距判断小车是否在长木板上做匀速直线运动,故A错误;由于小车速度较快,且运动距离有限,打出的纸带长度也有限,为了能在长度有限的纸带上尽可能多地获取间距适当的数据点,实验时应先接通打点计时器电源,后释放小车,故B正确;为使小车所受拉力与速度同向,应调节滑轮高度使细绳与长木板平行,故C错误。 (3)设小车质量为M,槽码质量为m。对小车和槽码根据牛顿第二定律分别有F=Ma,mg-F=ma 联立解得F= 由上式可知在小车质量远大于槽码质量时,可以认为细绳拉力近似等于槽码所受的重力。 上述做法引起的误差是由于实验方法或原理不完善造成的,属于系统误差。该误差是将细绳拉力用槽码所受重力近似替代所引入的,不是由于车与木板间存在阻力(实验中已经补偿了阻力)或是速度测量精度低造成的,为减小此误差,可在小车与细绳之间加装力传感器,测出小车所受拉力大小。故选C。 (4)相邻两计数点间的时间间隔为t=5T 打计数点5时小车速度的表达式为v= 根据逐差法可得小车加速度的表达式是a=。故选A。 角度二　数据处理和误差分析 1.平衡阻力不准确引起的系统误差 (1)当没有平衡阻力或平衡阻力不足时,会出现图甲①、图乙②所示的情况; (2)当木板倾角过大时,即平衡阻力过度时,会出现图甲③、图乙④所示的情况。 2.实验原理不完善引起的系统误差 (1)本实验用小盘和槽码的总重力m'g代替小车所受的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。 (2)图丙中,因为F=mg,当m增大到不满足 M≫m时,实验会出现较大误差,图线发生 弯曲; 图丁中,逐渐增大,M逐渐减小,当M减小 到不满足M≫m时,实验会出现较大误差,图线发生弯曲。 例2 (2026北京平谷模拟)某物理兴趣小组用如图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系。 (1)实验中打出的纸带如图乙所示,相邻计数点间的时间间隔为0.1 s,纸带上只测出了两组数据,图中长度单位为cm,由此可以算出小车运动的加速度大小a=　　　　 m/s2(保留2位有效数字)。  2.0 (2)实验得到的理想a-F图像应是一条过原点的直线,但由于应用了F=mg (m为槽码的总质量,g为重力加速度),常出现如图丙中图线①的情况,其产生的原因是不满足槽码的总质量远　　　　(选填“小于”或“大于”)小车的质量的条件;拉力F越大,a-F图线明显弯曲,若不断增加槽码的总质量,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)。  小于 g (3)由于实验误差影响,a-F图像还会出现图丙中图线②③的情况,图线②产生的原因是平衡阻力时长木板的倾角过　　　(选填“小”或“大”);图线③产生的原因是平衡阻力时长木板的倾角过　　　(选填“小”或“大”)。  大 小 解析 (1)由Δx=aT2得(7.1-1.1)×10-2 m=3aT2,解得a=2.0 m/s2。 (2)实验中认为槽码的总重力等于绳的拉力F,加速度a=。当m≪M时,图线是直线,所以图线①的上部弯曲的原因是当小车受拉力F较大时,不满足槽码的总质量远小于小车的质量的条件;若不断增加槽码的总质量m,a-F图像中各点连成的曲线将不断延伸,当重物质量无限大时,重物将近似做自由落体运动,所以加速度a的趋向值为g。 (3)图线②在a轴的截距大于0,产生原因是平衡阻力时长木板的倾角过大,拉力F=0(即不挂槽码)时小车就具有了加速度;图线③在F轴的截距大于0,产生原因是平衡阻力时长木板的倾角过小,只有当拉力F增加到一定值时,小车才获得加速度。 考点二　实验的改进与创新 常见创新实验方案 1.改进装置:气垫导轨 长木板。 2.改进测合力方法:拉力传感器、弹簧测力计 “近似等于小盘和砝码的总重力”, 不需要钩码的质量远小于小车质量,更无须测钩码的质量。 3.改进测加速度方法:光电门、传感器(位移、速度、加速度等) 打点计时器。 4.实验方案的改进:系统总质量不变化,改变拉力得到若干组数据。 5.改变探究目的:以本实验为背景,结合牛顿第二定律,测量两接触面间的动摩擦因数、物体的质量等。 6.改变数据处理方式:图像法处理数据时,用钩码的质量m代替合力F,即用a-m图像代替a-F图像。 角度一　实验器材的创新 例3 某物理兴趣小组设计如下实验验证牛顿第二定律。 (1)将手机固定在滑块上,弹簧测力计的一端固定,另一端用水平细线与滑块相连,用外力F将置于水平桌面上的长木板向左水平拉出,弹簧测力计示数稳定后如图甲所示,则滑块受到的滑动摩擦力大小Ff=　　　　 N。  4.0 (2)如图乙所示,在长木板右侧固定一轻滑轮:轻绳跨过滑轮,一端与滑块相连,另一端悬挂钩码,调节滑轮使细线水平。打开手机测量加速度的App,静止释放钩码,测得手机与滑块在木板上运动的加速度为a。若测得钩码的质量为m,手机和滑块的总质量为M,当地的重力加速度大小为g。在误差允 许范围内,如果表达式a=　　　　　(用m、M、Ff、g表示)成立,则牛顿第 二定律得到验证。   (3)某兴趣小组在研究手机相机功能时看到了一个概念——帧率:相机在一秒钟内能够连续拍摄或显示的图像数量。帧率通常以“fps”为单位表示。他们还发现手机可以按照30 fps和60 fps来拍摄或播放视频。他们将手机相机调节到30 fps的模式,对图乙中滑块的运动进行拍摄,并以60 fps的模式播放,那么视频中滑块的加速度将是真实值的　　　　倍。  4 解析 (1)如图甲,弹簧测力计的分度值为0.2 N,滑动摩擦力大小为4.0 N。 (2)根据mg-Ff=(m+M)a,若牛顿第二定律得到验证,需满足a=。 (3)根据Δx=at2,以60 fps的模式播放时,相同位移内时间间隔减小为拍摄时的,则视频中滑块的加速度将是真实值的4倍。 角度二　数据获取与处理方法的创新 例4 (2025山东卷)某小组采用如图所示的装置验证牛顿第二定律,部分实验步骤如下: (1)将两光电门安装在长直轨道上,选择宽度为d的遮光片固定在小车上,调整轨道倾角,用跨过定滑轮的细线将小车与托盘及砝码相连。选用d= 　　　　(选填“5.00”或“1.00”) cm的遮光片,可以较准确地测量遮光片运动到光电门时小车的瞬时速度。  (2)将小车自轨道右端由静止释放,从数字毫秒计分别读取遮光片经过光电门1、光电门2时的速度v1=0.40 m/s、v2=0.81 m/s,以及从遮光片开始遮住光电门1到开始遮住光电门2的时间t=1.00 s,计算小车的加速度a= 　　　　 m/s2(结果保留2位有效数字)。  1.00 0.41 (3)将托盘及砝码的重力视为小车受到的合力F,改变砝码质量,重复上述步骤,根据数据拟合出a-F图像,如图所示。若要得到一条过原点的直线,实验中应　　　　(选填“增大”或“减小”)轨道的倾角。  (4)图中直线斜率的单位为　　　　(选填“kg”或“kg-1”)。  增大 kg-1 解析 (1)遮光片宽度越小,其通过光电门的平均速度越接近瞬时速度,故选用d=1.00 cm的遮光片。 (2)由运动学公式可得a==0.41 m/s2。 (3)由图乙可知,当a=0时,F≠0,说明该实验没有完全平衡阻力,故应该增大轨道的倾角。 (4)斜率的单位=kg-1。 $