实验4 探究加速度与力、质量的关系-【优学精研】2027年高考物理一轮总复习教用课件

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、实验原理、数据处理、误差分析等核心考点，通过近五年高考真题统计，明确器材选择、平衡阻力、图像分析等高频题型分布，构建系统备考框架。 课件亮点在于“真题溯源+创新拓展+素养提升”策略，如以2025山东高考题为例解析遮光片选择与加速度计算，培养科学探究和科学思维素养。针对a-F图像误差等易错点，提供“图像异常归因法”，帮助学生掌握实验题答题逻辑，教师可依托此课件实现考点精准突破，提升复习效率。

实验4　探究加速度与力、质量的关系 目 录 CONTENTS 实验基础必备 教材原型实验 创新拓展实验 课时跟踪检测 实验基础必备 目 录 原理装置图 1.　 　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，　 　重新平衡阻力。 3.若使用力传感器或弹簧测力计测出细绳拉力时，　 　满足M≫m 控制变量　 无需 无需　 目 录 高中总复习·物 理 操作要求 注意事项 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　 　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.平衡阻力：平衡阻力时，　 　把悬挂槽码的细绳系在小车上，让小车连着纸带　 　运动。 2.质量：槽码质量m远　 　小车质量M。 3.平行：使细绳与长木板　 　。 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　 　后　 　 匀速　 不要　 匀速　 小于　 平行　 接通电源　 释放小车　 目 录 高中总复习·物 理 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 ⁠。 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 ⁠ 误差分析 （1）实验原理不完善，本实验用槽码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槽码的总重力。 （2）平衡阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距离测 量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差 正比　 反比　 目 录 高中总复习·物 理 教材原型实验 目 录 （2026·福建福宁联考）用如图甲所示的装置探究加速度与力、质量 的关系。 （1）除了图中所给器材以及交流电源和导线外，在下列器材中，还必须 使用的两种器材是 （填正确选项的字母）。 A. 秒表 B. 天平（含砝码） C. 弹簧测力计 D. 刻度尺 BD　 解析： 利用天平测量质量，利用打点计时器可以计时，打出的纸带需测 量点距求加速度，所以需要天平和刻度尺，A、C错误，B、D正确。 目 录 高中总复习·物 理 （2）实验前平衡阻力的做法是：把实验器材安装好，先不挂沙桶，将小 车放在木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器。用垫块把木板 不带滑轮一端垫高，接通打点计时器，让小车以一定初速度沿木板向下运 动，并不断调节木板的倾斜度，直到小车拖动纸带沿木板做 ⁠ 运动。 解析：平衡阻力时应使小车拖动纸带在木板上做匀速直线运动。 匀速直线　 目 录 高中总复习·物 理 （3）为使沙桶和沙的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力， 需满足的条件是沙桶及沙的总质量 （选填“远大于”“远小 于”或“近似等于”）小车的总质量。 解析：为了使沙桶及沙的重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力， 需要使沙桶及沙的总质量远小于小车的总质量。 远小于　 目 录 高中总复习·物 理 （4）实验中打出的一条纸带的一部分如图乙所示。纸带上标出了连续的3 个计数点A、B、C，相邻计数点之间还有4个点没有标出。打点计时器接在 频率为50 Hz的交流电源上。则打点计时器打B点时，小车的速度vB ＝ m/s（保留2位有效数字）。多测几个点的速度作出v-t图像，就 可以算出小车的加速度。 0.44　 解析：由某段时间中间时刻的瞬时速度等于该段时间运动过程的平均速 度，可得vB＝＝ m/s＝0.44 m/s。 目 录 高中总复习·物 理 （5）为探究加速度和力的关系，要保证 的总质量不变，改变 沙桶内沙的质量，重复做几次实验，通过实验数据来研究加速度和力 的关系。 解析：探究加速度与力的关系时，需要保持小车的总质量不变。 小车　 目 录 高中总复习·物 理 （6）在探究加速度与力的关系时，该同学根据实验数据作出的a-F图像如 图丙所示，发现该图线不通过坐标原点且BC段明显偏离直线，分析其产生 的原因，下列说法正确的是 （填正确选项前字母）。 AC　 A. 不通过坐标原点可能是因为平衡阻力不足 B. 不通过坐标原点可能是因为平衡阻力过度 C. 图线BC段弯曲可能是沙桶及沙的总质量未满足远 小于小车总质量的条件 D. 图线BC段弯曲可能是沙桶及沙的总质量未满足远大于小车总质量的条件 目 录 高中总复习·物 理 解析：从题图丙可以看出，图像不过原点，即当F为某一值时，但加速度 却为零，所以是未平衡阻力或平衡阻力不足，故A正确，B错误；随着拉力 F增大（即沙桶及沙的重力增大），已经不满足沙桶及沙的总质量远小于 小车总质量的条件，造成BC段弯曲，故C正确，D错误。 目 录 高中总复习·物 理 （7）在探究加速度与质量的关系时，要保证沙和沙桶的质量不变。若沙 和沙桶的质量m与小车的总质量M间的关系不满足第（3）问中的条件，且 已正确平衡阻力，由实验数据作出a-图线，则图线应如图中的 ⁠ （填正确选项的字母）所示。 C　 目 录 高中总复习·物 理 解析：在探究加速度与质量的关系时，由于平衡了阻力，所以图像过原 点，且分别对小车和沙桶及沙受力分析，由牛顿第二定律可得mg－FT＝ ma，FT＝Ma，联立解得 mg＝（M＋m）a，整理得a＝，因为保证了 沙和沙桶的质量不变，所以由实验数据作出a-图线，不会发生弯曲， 故选C。 目 录 高中总复习·物 理 用图甲所示的装置进行“探究加速度与力、质量之间的关系”的实 验，图乙是其俯视图。两个相同的小车放在平板上，车左端各系一条细 绳，绳跨过定滑轮各挂一个相同的小盘。实验中可以通过增减车中钩码改 变小车质量，通过增减盘中砝码改变拉力。两个小车右端通过细线用夹子 固定，打开夹子，小车在小盘和砝码的牵引下运动，合上夹子，两小车同 时停止。 目 录 高中总复习·物 理 （1）实验中，若两小车通过的位移比为1∶2，则两车加速度之比 为 ⁠。 解析： 实验中，若两小车通过的位移比为1∶2，由x＝at2，当运动时间 相同时可得两车加速度之比为a1∶a2＝1∶2。 1∶2　 目 录 高中总复习·物 理 （2）为使小车所受的拉力近似等于小盘和砝码的总重力，应使小盘和砝 码的总质量 （选填“远大于”或“远小于”）小车的质量。 解析：实际上，小车与小盘和砝码一起加速运动，设绳对小车的拉力为 F，则有F＝Ma，mg－F＝ma，则可得F＝＝，为使小车所受的拉 力近似等于小盘和砝码的总重力，应使小盘和砝码的总质量远小于小车的 质量。 远小于　 目 录 高中总复习·物 理 （3）探究“加速度与质量之间的关系”时，应在小盘中放质量 ⁠ （选填“相同”或“不相同”）的砝码。 解析：探究“加速度与质量之间的关系”时，采用控制变量法，实验时要 保证拉力不变，则应在小盘中放质量相同的砝码。 （4）探究“加速度与力之间的关系”时，事实上小车和平板间存在摩擦 力，下列说法中正确的是 （填选项前字母）。 A. 若平板保持水平，选用更光滑的平板有利于减小误差 B. 平板右端适当垫高以平衡摩擦力有利于减小误差 C. 因为两小车质量相同时与桌面间的摩擦力相同，所以摩擦力不影响实验 结果 相同　 AB　 目 录 高中总复习·物 理 解析：探究“加速度与力之间的关系”时，若平板保持水平，则选用更光 滑的平板有利于减小摩擦力，合力更接近绳的拉力，可以减小实验误差， 故A正确；平板右端适当垫高来平衡摩擦力，使细绳拉力提供小车的合外 力，有利于减小误差，故B正确；由牛顿第二定律得mg－μMg＝Ma，解得 a＝－μg，故摩擦力影响实验结果，故C错误。 目 录 高中总复习·物 理 创新拓展实验 目 录 创新角度 创新示例 创新分析 实验方案 的创新 见[课时跟踪检测T4] 利用手机软件记录加速 度随时间变化的图像 目 录 高中总复习·物 理 创新角度 创新示例 创新分析 实验器材 的创新 见[典例3] （1）利用位移传感器与 计算机相连，描绘a与F 的关系图像。 （2）由力传感器测对滑 块的拉力，无需满足 m≤M 　　 目 录 高中总复习·物 理 （2026·海南儋州模拟）某组同学设计了如图甲所示的实验装置，通 过改变重物的质量，利用计算机可得滑块运动的加速度a和所受拉力F的关 系图像。他们在轨道水平和倾斜（通过在远离滑轮的一端加垫片实现）的 两种情况下分别做了实验，得到了两条a-F图线，如图乙所示。 目 录 高中总复习·物 理 （1）图线 （选填“甲”或“乙”）是在轨道倾斜的情况下得到 的； 解析： 由甲图线可知，当F＝0时，a＝2 m/s2 ≠ 0，说明当绳子上没有拉 力时滑块就有加速度，则实验操作中是因平衡阻力过度，即轨道倾角过 大，平衡阻力时将左端垫得过高，所以图线甲是在轨道左侧抬高成为斜面 情况下得到的；由乙图线可知，F在0～1 N的范围内a＝0，说明当绳子上 有拉力时滑块没有加速度，则图线乙是轨道水平没有平衡摩擦力的情况下 得到的。 甲　 目 录 高中总复习·物 理 （2）滑块和位移传感器发射部分的总质量m＝ kg。 解析：设接触面间动摩擦因数为μ，则在轨道水平的情况下，有F－μmg＝ ma乙 得a乙＝F－μg 斜率为＝ kg－1＝2 kg－1，则m＝0.5 kg。 0.5　 目 录 高中总复习·物 理 （2026·天津南开模拟）如图所示，小车通过细绳与钩码相连，遮光 片固定在小车的最右端，光电门传感器固定在长木板上，某实验小组利用 图中装置完成了“验证牛顿第二定律”的实验。 （1）某同学在研究小车加速度与拉力关系的实验中，把小车所受拉力当 作合力，下列说法正确的是 （填选项前字母）。 A. 需要平衡摩擦力 B. 不需要平衡摩擦力 C. 要求钩码的质量远小于小车质量 D. 不要求钩码的质量远小于小车质量 AD　 目 录 高中总复习·物 理 解析： 把小车所受拉力当作合力，需要平衡摩擦力，不要求钩码的质量 远小于小车质量，可以根据弹簧测力计直接读出力的大小。故选A、D。 目 录 高中总复习·物 理 （2）在实验操作完全正确的情况下，该实验小组将小车从某一位置由 静止释放，测出遮光片的宽度d和它通过光电门的挡光时间Δt，小车静 止时的位置到光电门的位移s，小车的质量m，弹簧测力计的示数F，则 F与应满足的关系式为 　F＝　。（可用m、d、s、Δt 等字母表示） 解析：小车通过光电门的速度v＝，由匀变速直线运动规律v2＝2as，若满 足牛顿第二定律则有F＝ma，解得F＝。 F＝　 目 录 高中总复习·物 理 课时跟踪检测 目 录 1. （2025·山东高考13题）某小组采用如图甲所示的装置验证牛顿第二定 律，部分实验步骤如下： 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （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。 解析： 该实验是用遮光时间内的平均速度表示遮光片运动到光电门时小 车的瞬时速度，由运动学规律可知，遮光片的宽度越窄，两个速度越接 近，即小车的瞬时速度测量越精准，所以选用d＝1.00 cm的遮光片。 1.00　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （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）。 解析：根据题意可得，小车的加速度 a＝＝0.41 m/s2。 0.41　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （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，如图乙所示。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。 增大　 解析：对小车，由牛顿第二定律，有F ＋mgsin θ－μmgcos θ＝ma，整理得a ＝＋gsin θ－μgcos θ，结合题图乙可知 gsin θ－μgcos θ＜0，若要得到一条过原点 的直线，应使sin θ－μcos θ＝0，则应增大轨 道的倾角θ。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （4）图乙中直线斜率的单位为 （选填“kg”或“kg－1”）。 解析：结合第（3）问分析可知，题图乙中直线斜率表示质量的倒数，则 其单位为kg－1。 kg－1　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 2. （2025·陕晋青宁高考11题）图a为探究加速度与力、质量关系的部分实 验装置。 （1）实验中应将木板 （选填“保持水平”或“一端垫 高”）。 解析： 探究加速度与力、质量关系的实验时，将槽码与槽码盘的重力近 似为绳子拉力，则需平衡摩擦力，实验中应将木板一端垫高； 一端垫高　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （2）为探究加速度a与质量m的关系，某小组依据实验数据绘制的a-m图像 如图b所示，很难直观看出图线是否为双曲线。如果采用作图法判断a与m 是否成反比关系，以下选项可以直观判断的有 。（多选，填正确答 案标号） AC　 m/kg a/（m·s－2） 0.25 0.618 0.33 0.482 0.40 0.403 0.50 0.317 1.00 0.152 A. a-图像 B. a-m2图像 C. am-m图像 D. a2-m图像 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 解析：该实验采取控制变量法，探究加速度a与质量m的关系时，小车受到 的力F保持不变，利用图像法处理数据时，需使图线拟合为直线更直观， 即图像斜率为定值，由牛顿第二定律F＝ma可知a-图像的斜率不变，A正 确；无论m怎么变化，am为定值，也可判断a、m成反比关系，C正确； 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （3）为探究加速度与力的关系，在改变作用力时，甲同学将放置在实验 桌上的槽码依次放在槽码盘上；乙同学将事先放置在小车上的槽码依次移 到槽码盘上。在其他实验操作相同的情况下， （选填“甲”或 “乙”）同学的方法可以更好地减小误差。 乙　 解析：采用甲同学的方法进行实验时，设小车的质量为m，单个槽码的质 量为M，槽码个数为n，忽略槽码盘的质量，对小车和槽码，根据牛顿第二 定律分别有T＝ma、nMg－T＝nMa，联立解得T＝；采用乙同学的方 法进行实验时，设槽码个数总共为n个，小车上放有k个槽码，根据牛顿第 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 二定律有T＝（m＋kM）a、（n－k）Mg－T＝（n－k）Ma，联立解得T＝ （n－k）Mg，因此采用甲同学的方法时，当槽码总质量远小于小车 质量时槽码的重力与绳子拉力相等，但随着槽码总质量的增大，不再满足 槽码总质量远小于小车质量，采用乙同学的方法时，当单个槽码质量较小 时槽码的重力与绳子拉力相等，则乙同学的方法可以更好地减小误差。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 3. ★（2026·山东滨州模拟）某实验小组利用智能化装置验证牛顿第二定 律，装置如图甲所示。小车后端搭载超声波测距传感器，实时测量小车与 固定反射挡板之间的距离，距离数据与时间数据相结合计算得到小车运动 的加速度，通过力传感器测得绳的拉力F。 实验步骤如下： （1）调整木板倾角平衡摩擦力，使小车匀速运动； 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （2）将挂有重物的细绳与小车相连，调整滑轮高度使细绳与木板平行。 释放小车，小车开始运动后，利用车载的超声波测距传感器测出小车经过 两个连续相等的时间间隔T的位置1、2、3与反射挡板之间的距离x1、x2、 x3，如图乙所示。则小车的加速度大小为 （用字母x1、x2、 x3和T表示）； 解析： 根据逐差法可知（x3－x2）－（x2－x1）＝aT2，解得a＝ 。 　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （3）保持小车质量不变，挂不同质量的重物，测得数据如下表： F/N 0.11 0.26 0.28 0.37 0.39 a/（m/s2） 0.62 1.30 1.39 1.69 1.79 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （4）根据实验数据描点连线，得到a-F图像如图丙所示。结合实验原理， 分析纵轴截距不为0的原因可能为 ⁠。 平衡摩擦力过度　 解析：由a-F图像可知，当F＝0时，小车已经具有一定的加速度，所以图像不过原点的原因可能是平衡摩擦力过度。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （5）随着F继续增大，a-F图像的变化趋势应为 。（选填“①”、 “②”或“③”） 解析：因为用力传感器测绳的拉力，根据F＝Ma，可知小车质量不变时， 加速度与外力F成正比，故选②。 ②　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 4. ★（2026·重庆开州模拟）小明利用手机内置加速度传感器探究加速度与 合外力的关系，实验装置如图甲，已知当地重力加速度为g。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （1）轻弹簧上端固定，下端与手机相连，手机下端通过细绳悬挂小桶， 桶内装有砝码，整个系统静止； （2）突然剪断细绳，通过手机软件记录竖直方向加速度a随时间变化的图 像如图乙，剪断细绳瞬间手机的加速度对应图中的 （选填 “P”“Q”或“R”）点； 解析： 剪断细绳瞬间手机的合力为向上最大，则加速度为向上的最大，可知应该对应图中的P点； P　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （3）改变小桶中砝码质量，重复步骤（2），获得多组手机所受合力F与 加速度a的数据，作出a-F图像如图丙所示，可得结论：在误差允许的范围 内 ⁠； 解析： 根据作出的a-F图像可得结论：在误差允许的范围内，质量一 定时，手机加速度与所受合外力成正比； 质量一定时，手机加速度与所受合外力成正比　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （4）如图丁，某同学在处理数据时，以手机竖直方向的加速度a为纵坐 标，砝码质量m为横坐标，绘制a-m图像，获得一条斜率为k0，截距为a0的 直线，则可推算出手机的质量为 　　，小桶的质量为 　　。（选用k0、 a0、g表示） 　 　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 解析： 绳子剪断前，设弹力为F，小桶质量为m0，手机质量为M，对 手机由平衡条件知 F－（m＋m0）g－Mg＝0，绳子剪断后，对手机由牛顿 第二定律有F－Mg＝Ma，联立可得a＝m＋ 图丁中图像的斜率为k0，即k0＝，解得M＝，截距a0＝，解得m0 ＝。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 5. （2026·云南大理期末）如图甲所示是某实验小组设计的“探究加速度 和力、质量的关系”的实验装置示意图，位移传感器的发射器和接收器分 别固定在木板右端和物块上。保持物块的质量不变，探究其加速度和力的 关系，实验中用钩码的重力代替物块（含接收器）所受的合外力。细线与 木板平面平行，不计细线与滑轮之间的摩擦力，重力加速度为g。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （1）下列说法正确的是 （填正确选项前字母）。 A. 需要将木板右端垫高，以平衡物块与木板间的摩擦力 B. 不需要平衡物块与木板间的摩擦力 C. 需要使物块（含接收器）的总质量远大于钩码的质量 D. 不需要使物块（含接收器）的总质量远大于钩码的质量 解析： 为了使物块受到的合力等于细线拉力，需要将木板右端垫 高，以平衡物块与木板间的摩擦力，故A正确，B错误；实验中用钩码的重 力代替物块（含接收器）所受的合外力，为了减小误差，需要使物块（含 接收器）的总质量远大于钩码的质量，故C正确，D错误。 AC　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （2）某次实验，测得接收器和发射器之间的距离x及对应的时间t，作出x- t2图线如图乙所示，图中坐标值均已知，由图像可知，t＝0时刻物块的速度 大小 （选填“一定”或“不一定”）为零，此次实验物块的加速 度a'＝ （用图中所给字母表示）。 一定　 　 解析： 由图乙可知，x与t2的关系式为x＝t2＋a，则t时间内物块位 移为Δx＝x－a＝t2， 结合运动学公式Δx＝a't2，可知t＝0时刻物块的速度大小一定为零，且有 ＝a' 可得物块的加速度为a'＝。 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 （3）测出物块（含接收器）的质量为M，每个钩码的质量均为m，第一次 挂1个钩码进行实验，此后每增加1个钩码进行1次实验，共进行n次实验， 利用（2）中的方法得到对应的加速度an，在误差允许的范围内，若an ＝ （用M、m、n、g表示），即可论证，物块质量不变时其加速度 与力成正比。 解析： 以物块（含接收器）为对象，根据牛顿第二定律可得nmg＝ Man，则在误差允许范围内，若an＝，即可论证，物块质量不变时其加 速度与力成正比。 　 1 2 3 4 5 目 录 高中总复习·物 理 $