2027届高三物理一轮复习讲义：实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系

该高中物理高考复习讲义围绕“探究加速度与力、质量关系”实验，覆盖牛顿第二定律验证、控制变量法、图像法处理数据等核心考点，按实验目的、原理、步骤、数据处理、误差分析及器材改进的逻辑架构知识，通过考点梳理、方法指导（如逐差法求加速度）、真题训练（7道典型例题）帮助学生突破实验难点，体现复习的系统性和针对性。 资料突出实验细节深挖与科学探究创新，如分析平衡摩擦力操作、M≫m条件及两种无需该条件的情况，结合力传感器等器材改进案例培养科学思维。设置从基础操作到误差分析、创新设计的分层例题，配合即时反馈，助力学生高效掌握实验要点，为教师把控复习节奏提供精准指导。

实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系 1．实验目的 (1)学会用控制变量法研究物理规律。 (2)学会灵活运用图像法处理物理问题。 (3)探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律。 2．实验原理 (1)保持小车质量不变，探究小车加速度跟合外力的关系。 (2)保持合外力不变，探究小车加速度与质量的关系。 (3)作出a－F图像和a－图像，确定a与F、M的关系。 3．实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、一端附有定滑轮的长木板、薄木块、 电磁打点计时器　、低压交流电源、导线、纸带、复写纸、托盘天平、米尺。 4．实验步骤 (1)称量质量:用托盘天平测小盘的质量m0和小车的质量M。 (2)安装器材 按照实验原理图把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即小车无牵引力)。 (3)平衡摩擦力(又叫补偿阻力) 在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在不挂小盘和砝码的情况下能沿木板做匀速直线运动为止。 (4)测量加速度 ①保持小车的质量不变，让小车靠近打点计时器，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力，由纸带计算出小车的加速度，并记录数据。改变小盘内砝码的个数，并多做几次。 ②保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量M，并由纸带计算出小车对应的加速度，记录数据。改变小车上砝码的个数，多做几次。 5．数据处理 (1)利用Δx＝aT2即逐差法求加速度。 (2)以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比。 (3)以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与M成反比。 6．注意事项 (1)补偿阻力：在补偿阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，且要让小车拖着纸带匀速运动。 (2)不重复补偿阻力：补偿了阻力后，不管以后是改变槽码的质量还是改变小车和小车上砝码的总质量，都不需要重新补偿阻力。 (3)实验条件：每条纸带都必须在满足小车和小车上砝码的总质量远大于小盘和砝码总质量的条件下打出。只有如此，小盘和砝码总重力才可视为小车受到的拉力。 (4)一先一后一按住：改变拉力或小车质量后，每次实验开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达定滑轮前按住小车。 (5)作图：作图时，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。 7．误差分析 (1)系统误差：用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力，实际上小车受到的拉力小于小盘和砝码的总重力。 (2)偶然误差：摩擦力平衡不准确，质量测量不准确，细绳不严格与木板平行等都会引起误差。 8.常见图像问题： 9.两种情况不需要满足M≫m： （1）有测量力的仪器，如力传感器； （2）系统总质量M+m不变，此时。 10．实验器材的改进 (1)气垫导轨：不用补偿阻力。 (2)力传感器或弹簧测力计：可直接测绳的拉力，不必保证小车质量远大于钩码的总质量。 (3)速度传感器、位移传感器、光电门：可以更加精确测出小车的位移和瞬时速度。 例1、某实验小组利用如图1所示的装置探究加速度与力、质量的关系。 (1)下列做法正确的是________(选填字母代号)。 A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行 B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上 C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源 D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度 (2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)木块和木块上砝码的总质量。 (3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图1所示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图2中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲____m乙，μ甲_______μ乙。(均选填“大于”“小于”或“等于”) 例2、某组同学计划用如图甲所示的实验装置，探究加速度a与合外力F及小车质量M之间的关系。 (1)为了平衡小车在运动过程中受到的阻力，必须使木板倾斜恰当的角度θ，若小车和木板之间的动摩擦因数为μ，则tan θ________μ(选填“＞”“＜”或“＝”)。 (2)实验得到如图乙所示的纸带。O点为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1 s的相邻计数点记为A、B、C、D、E、F、G，他们到O点的距离已标出，则小车的加速度大小为________ m/s2(结果保留两位有效数字)。 (3)在处理实验数据时，用m表示砝码和托盘的总质量，用M表示小车的质量，用g表示当地的重力加速度。若用m、M和g表示小车的加速度，则测量值为________，理论值为________。 例3、用如图甲所示的装置验证牛顿第二定律。 (1)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。多测几个点的速度做出v­t图像，就可以算出小车的加速度。 (2)为研究加速度和力的关系，要保证________的总质量不变，改变砂桶内砂的质量，重复做几次实验，通过实验数据来研究加速度和力的关系。 (3)在研究加速度与质量的关系时，要保证砂和砂桶的质量不变。若砂和砂桶的质量m与小车的总质量M间的关系不满足条件m≪M，由实验数据作出a和的图线，则图线应如下图中的________所示(选填正确选项的字母)。 例4、实验小组采用如图甲所示实验装置测量木块与木板间动摩擦因数μ，提供的器材有：带定滑轮的长木板，有凹槽的木块，质量为20 g的钩码共n个，打点计时器，电源，纸带，细线等。实验中将部分钩码悬挂在细线下，剩余的钩码放在木块的凹槽中，保持长木板水平，利用打出的纸带测量木块的加速度。 (1)正确进行实验操作，得到一条纸带，从某个清晰的打点开始，依次标注0、1、2、3、4、5、6，分别测出位置0到位置3、位置6间的距离，如图乙所示。已知打点周期T＝0.02 s，则木块的加速度a＝________ m/s2。(保留三位有效数字) (2)将木块凹槽中的钩码逐个添加到细线下端，改变悬挂钩码的总质量m，测得相应的加速度a，作出a­m图像如图丙所示。已知当地重力加速度g＝9.8 m/s2，则木块与木板间动摩擦因数μ＝________(保留两位有效数字)；μ的测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值，原因是_______________(写出一个即可)。 (3)实验中________(选填“需要”或“不需要”)满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量。 例5、为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，甲、乙同学设计了如图(a)所示的实验装置，其中M为小车的质量，m为砂和砂桶的总质量，m0为滑轮的质量。力传感器可测出轻绳中的拉力大小。 (1)实验时，一定要进行的操作是________。 A．用天平测出砂和砂桶的总质量 B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力 C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录力传感器的示数 D．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的总质量m远小于小车的质量M (2)甲同学在实验中得到如图(b)所示的一条纸带(两计数点间还有四个点没有画出)，已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为______ m/s2(结果保留三位有效数字)。 (3)甲同学以力传感器的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a­F图线是一条直线，如图(c)所示，图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量M＝________。 A.　　　 　　B.－m0 C.－m0 D. (4)乙同学根据测量数据作出如图(d)所示的a­F图线，该同学做实验时存在的问题是_______________。 例6、某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量M的关系”实验。图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细沙的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细沙和小桶受到的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。 (1)图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为________ m/s，小车的加速度大小为________ m/s2。(结果均保留2位有效数字) (2)在“探究加速度a与质量M的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。 (3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。 答：_____________________________________________________________。 (4)实验时改变所挂小桶内细沙的质量，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，如图戊所示。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________(选填正确选项前的序号)。 A．小车与平面轨道之间存在摩擦 B．平面轨道倾斜角度过大 C．所挂小桶及桶内细沙的总质量过大 D．所用小车的质量过大 例7、科学家曾经设计了一个装置验证牛顿第二定律，在跨过光滑定滑轮的轻绳两端悬挂质量均为M的物块，在一物块上附加另一质量为m的物块，系统无初速度释放后开始加速运动。附加物块运动至挡板后自动脱离，此后系统匀速运动，测得此速度即可求出系统加速过程的加速度。 如图甲所示，某同学改进了该装置，将系统从附加物块距离挡板高h处无初速度释放，附加物块脱离后，测出右侧物块下端的遮光片通过光电门的时间t。 (1)用游标卡尺测量该遮光片的宽度d，如图乙所示，则d＝________ cm。 (2)系统加速运动的加速度a＝________(用d、h、t表示)。 (3)为了验证牛顿第二定律，在实验误差允许范围内，应有如下关系：________________。(已知重力加速度为g) 答 案 例1、(1)AD　(2)远小于　(3)小于　大于 例2、(1)＝　(2)0.99　(3)　 例3、(1)0.44(0.43～0.45均可)　(2)小车　(3)C 例4、(1)3.33　(2)0.33(0.32～0.36均可)　大于　滑轮与轴承、细线间有摩擦，纸带与打点计时器间有摩擦等　(3)不需要 例5、(1)BC　(2)2.00　(3)C　(4)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 例6、(1)1.6　3.2　(2)　(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足　(4)C 例7、(1)0.560　(2)　(3)mg＝(m＋2M) 1 学科网（北京）股份有限公司 $