3.5实验四：探究加速度与力、质量的关系——2027届高考物理一轮复习课件

该高中物理高考复习课件聚焦“探究加速度与力、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、加速度测量（逐差法）、图像分析（a-F、a-1/M）、误差分析四大核心考点，通过命题分析明确装置装配（30%）、数据处理（40%）、创新拓展（30%）的考点分布，归纳出图像偏离分析、阻力补偿判断等常考题型。 课件亮点在于“原型实验+创新拓展+真题突破”的备考策略，以典例1 a-F图像偏离（砂桶质量过大）、典例2力传感器装置创新为载体，运用科学探究（实验设计）、科学思维（误差推理）素养，指导学生掌握逐差法计算、平衡摩擦力操作等得分技巧。教师可依托易错点警示（如m<<M条件）和创新实验分析，提升复习针对性，助力学生冲刺高分。

第16课时　实验四:探究加速度与力、质量的关系 1.实验目的 (1)学会用控制变量法探究物理规律。 (2)会测量加速度、力和质量,能作出物体运动的a-F、a-图像。 (3)能通过实验数据及图像得出加速度与力、质量的关系。 (4)会分析实验中的误差,能采取合理方法减小实验误差,了解实验创新的方法及原理。 2.实验思路 (1)探究方法——　　　　　法。  ①保持　　　　　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　　　　 　　　不变,通过在小车上增加砝码改变　　 　　,探究加速度与质量的定量关系。  (2)要测量的物理量 ①小车、槽码和放在小车上的砝码质量。 ②小车的　　　　。  ③小车所受的拉力(槽码的重力)。 控制变量 小车质量 小车所受的拉力 小车的质量 加速度 3.实验器材 　 　、纸带、复写纸、小车、　　　　 　　　　　　、槽码(若干个)、夹子、垫木、细绳、低压　　　　电源、导线、天平(带有一套砝码)、　　　　　。  打点计时器 一端附有定滑轮的长木板 交流 刻度尺 (3)垫木块:平衡摩擦力,在木板无滑轮的一端下面垫一薄木块,反复移动其位置,直到不挂重物的小车在斜面上做　　　　　运动为止(纸带上相邻点间距相等)。  4.实验步骤 (1)测量:用天平测出小车的质量M,槽码的质量m,并把数值记录下来。 (2)安装:按图将实验器材安装好(小车上不系绳)。 匀速直线 (4)操作 ①槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上,使小车停在靠近打点计时器处。 ②先　 　　　,后放开小车,打点完毕后关闭电源并取下纸带编上号码。  ③探究加速度与力的关系:保持小车的质量M不变,通过增减槽码的个数改变小车所受拉力F的大小,重复实验。 ④探究加速度与质量的关系:保持小车所受的拉力F不变(即槽码的质量m不变),通过在小车中增减砝码改变小车的质量M,重复实验。 接通电源 5.数据处理 (1)计算法(逐差法求加速度) (2)图像法 ①研究加速度和力的关系 以加速度a为纵坐标,以外力F为横坐标,作出a-F关系图像,若为过原点的 　　　　,说明a与 F成正比。  ②研究加速度和质量的关系 以加速度a为纵坐标,以小车及砝码的总质量的倒数为横坐标,作出a-关系图像,若为过原点的　　　　,说明a与M成反比。  直线 直线 命题分析 1.考装置:器材装配以及其他器材替代。 2.考读算:读计数点之间的间隔、算速度和加速度以及作图求解加速度。 3.考变化:考查实验目的的变化,考查数据处理方式的变化。 阻力补偿原理:mgsin θ=μmgcos θ 操作注意 1.平行:纸带和细绳要和木板平行。 2.一次:平衡摩擦力时不要挂重物,整个实验平衡了摩擦力后,实验中不需要重新平衡摩擦力。 3.质量:实验中必须满足小车和砝码的总质量远大于槽码的质量。只有如此,槽码的重力才可视为与小车受到的拉力相等。 4.先通电:小车应靠近打点计时器且先接通电源再释放。 5.作图:要使尽可能多的点在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。离直线较远的点应舍去不予考虑。 误差分析 1.偶然误差 (1)质量、计数点间距测量不准导致, 需要多次测量求平均值。 (2)小车所受合力测量不准, 因此需要准确补偿阻力,使细绳和纸带平行于木板。 (3)作图不准,因此合理选取坐标轴的单位长度,使所有数据点尽量分布在整个坐标平面。使尽可能多的点落在直线上,不能落在直线上的点均匀分布在直线两侧,偏离直线较远的点舍去。 2.系统误差 槽码的重力不等于小车所受的拉力。若使槽码的质量远小于小车的质量,则可减小系统误差。 考点一　教材原型实验 典例1　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,实验前必须补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力。 (1)某小组补偿阻力时是这样操作的:将小车静止地放在水平长木板上,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,即认为刚好补偿阻力完毕。请问该小组补偿阻力的操作 　　　　　(选填“正确”或“不正确”)。  甲 乙 不正确 (2)如果该小组已按(1)中的操作补偿阻力,保持M(小车质量)不变,通过改变砂桶中砂子质量,得到a-F图像是下图中的　　　(将选项代号的字母填在横线上)。  C (3)若在另一组实验过程中,保持M(小车质量)不变,通过改变砂桶中砂子质量,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力 B.木板倾斜角度过大 C.所用小车的质量过大 D.所加砂子的总质量过大 D (4)打点计时器使用交流电源的频率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,算得小车的加速度大小为　　　　 m/s2(结果保留两位有效数字)。 (5)在本实验中认为细线的拉力F等于砂和砂桶的总重力mg,由此造成的误差是系统误差,设拉力的真实值为F真,为了使 <　　　　　。  0.60 5% 解析 (1)小车由静止下滑,说明重力沿斜面的分力大于阻力,因此补偿阻力过度,所以该同学的操作不正确,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)如果这位同学先按(1)中的操作补偿阻力,导致平衡阻力过度,当小车上还没有挂砂和砂桶时,小车应该就已经有加速度了,选项A、B、D错误,C正确。 (3)用砂桶和砂子的重力代替拉力F,需要满足砂桶和砂子质量远小于小车质量。随着F的增大,不满足砂桶和砂子质量远小于小车质量时,a-F图线最后会略微向下弯曲,故造成此现象的原因是所加砂子的总质量过大,选项D正确,A、B、C错误。 (4)由于每相邻两个计数点间还有4个点没有画出,所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1 s,根据匀变速直线运动的推论公式Δx=aT2可以求出加速度a= m/s2=0.60 m/s2。　 (5)对砂桶进行分析有mg-F真=ma,对小车进行分析有F真=Ma,根据题干要求有<5%,解得<5%。 考点二　拓展创新实验 1.高考启示 江苏高考实验题,考查的内容比较综合,往往以教材基本实验为载体,凸显创新实验原理、创新实验数据处理方法,体现核心素养中的科学探究。 2.情境拓展 实验原理的创新 1.利用力传感器可得轻绳上拉力大小; 2.将探究加速度与合力的关系转化为探究加速度与力传感器的示数的关系 实验器材的创新 利用位移传感器与计算机相连,直接得出小车的加速度 1.用光电门代替打点计时器,结合遮光条的宽度可测滑块的速度; 2.利用气垫导轨代替长木板,无需补偿阻力; 3.由力传感器测滑块受到的拉力,无需满足m≪M 实验过程的创新 1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度,由=2ax得出物块的加速度; 2.结合牛顿第二定律mg-μMg=(M+m)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数 考向1　装置创新 典例2　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。 甲 (1)为探究加速度与力的关系,下列实验操作正确的是　　　。(多选)  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,砂和砂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示位置,然后接通电源再释放小车 AB (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个计时点未画出,打点计时器所接交流电源的频率为50 Hz,小车的加速度大小为 　　　　m/s2(结果保留两位有效数字)。  乙 (3)该同学在小车内放置一质量为m0的砝码,多次改变砂的质量,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)。  2.4 -m0 (4)该同学用下图所示装置完成“探究加速度与力、质量的关系”的实验,可通过位移的测量来代替加速度的测量,即,使用这种方法需要满足两小车　　　。  A.所受拉力相同 B.运动时间相同 C.小车质量相等 (5)在利用图甲装置进行实验时,是否需要进行阻力补偿?如果需要,请说明如何操作。如果不需要,请说明理由。 B 需要,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阻力补偿到位 考向2　原理创新 典例3　某同学利用手机“声音图像”软件测量物块与长木板间的动摩擦因数μ。实验装置如图所示,长木板固定在水平桌面上,物块置于长木板上且两端分别通过跨过定滑轮的细线与小球A、B相连,实验前分别测量出小球A、B底部到地面的高度hA、hB(hB>hA)。打开手机软件,烧断一侧细绳,记录下小球与地面两次碰撞声的时间图像(两小球落地后均不反弹)。 (1)由图可知,实验时应烧断物块　　　　(选填“左侧”或“右侧”)的细线。  (2)烧断细线前,用分度值为1 cm的刻度尺测量hA,刻度尺的0刻度线与地面齐平,小球A的位置如图甲所示,则hA=　　　　cm。  左侧 78.0 (3)若某次实验中通过运算得出A下落时间为0.40 s,由图乙可知,物块加速运动的时间为　　　　s;若将手机放在靠近小球A的地面上测量物块加速运动的时间,测量结果会　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。  (4)仅改变小球B实验前离地高度hB,测量不同高度下物块加速运动时间t,作出hB-t2图像如图丙所示,由图像可求得斜率为k,若小球B的质量为m,物块质 量为M,重力加速度为g,则物块与木板间的动摩擦因数μ=　　　　　　(用 字母k、m、M、g表示)。  0.90 偏大 解析 (1)应烧断左侧细线,使B球拉动物块在桌面做匀加速直线运动。 (2)测量时间是通过小球落地计算,故应测量小球底端距离,则刻度尺读数为78.0 cm。 (3)由题图可知,A、B两球落地时间差为0.50 s,A球下落速度快,时间短,则B球下落时间为0.90 s。若将手机放在靠近小球A的地面上测量物块加速运动的时间,测量时间为AB落地时间差和B落地后声音传过来时间之和,故测量结果偏大。 (4)物块和小球B一起做匀加速直线运动,则hB=at2,受力分析得mg-μMg =(m+M)a,联立解得hB=t2,故μ=。 $