第3章 实验四 探究加速度与力、质量的关系(教师用书Word)-【高考领航】2027年高考物理大一轮复习学案

该高中物理高考复习讲义围绕“探究加速度与力、质量的关系”实验，整合实验原理（控制变量法）、操作规范（平衡阻力、质量测量）、数据处理（逐差法、图像分析）及误差分析等核心考点，通过考点梳理、方法指导、真题训练（含2025陕晋宁青卷等典型题）的教学流程，帮助学生系统构建实验知识体系。 资料突出实验创新与核心素养培养，结合教材原型与拓展实验（如力传感器测拉力、超声波测距算加速度），通过真题解析引导学生建构实验模型、提升科学思维。设置实验操作要点与误差分析专项指导，助力学生高效掌握高考实验命题规律，为教师把控复习节奏提供精准教学支持。

实验四　探究加速度与力、质量的关系 实验原理 操作要求 数据处理 探究方法——控制变量法 1.平衡：把木板的一侧垫高，平衡小车受到的阻力(改变小车或槽码质量，无需重新平衡阻力)。 2.质量：槽码的质量远小于小车质量。 3.要测量的物理量 (1)小车与其上钩码的总质量(用天平测量)。 (2)小车受到的拉力(约等于槽码的重力)。 (3)小车的加速度(根据纸带用逐差法计算加速度)。 4.其他：细绳与长木板平行；小车从靠近打点计时器的位置释放；在到达定滑轮前按住小车；实验时先接通电源，后释放小车 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成正比，如图甲。 甲　　　　　乙 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成反比，如图乙 注意事项 1.平衡阻力的方法：在长木板无滑轮的一端垫上小木块，使其适当倾斜，利用小车重力沿斜面方向的分力与阻力平衡。 2.判断小车是否做匀速直线运动，可通过打点纸带，看上面各点间的距离是否均匀。 3.平衡阻力时要注意以下两点 (1)平衡阻力时不能在细绳的另一端挂槽码。 (2)平衡阻力时必须让小车连上纸带，且让打点计时器处于工作状态 误差分析 1.偶然误差：小车、槽码质量的测量，纸带上各计数点间距的测量。 2.系统误差 (1)平衡小车的阻力不足或过度。 (2)用槽码的重力替代细绳的拉力 考点一　教材原型实验 　(2025陕晋宁青卷，11)图(a)为探究加速度与力、质量关系的部分实验装置。 图(a) (1)实验中应将木板__________________(选填“保持水平”或“一端垫高”)。 (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) 图(b) A．a-图像　　　　　　 B．a-m2图像 C．am-m图像 D．a2-m图像 (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。 解析：(1)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，需平衡阻力，实验中应将木板一端垫高。 (2)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。 (3)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FT＝ma、nMg－FT＝nMa，联立解得FT＝；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，根据牛顿第二定律有FT＝(m＋kM)a、(n－k)Mg－FT＝(n－k)Ma，联立解得FT＝(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，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。 答案：(1)一端垫高　(2)AC　(3)乙 　(2026·江苏南通模拟)某实验小组利用如图甲所示的装置，探究加速度与力的关系。 (1)该实验过程中操作正确的是________。 甲 A．平衡阻力时小车不要连接纸带 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 (2)图乙为某同学在实验中打出的纸带，计时器打点频率为50 Hz，相邻两计数点间有四个点未画出，部分实验数据如图乙所示。求得小车的加速度是________m/s2(结果保留2位有效数字)。 乙 (3)实验中根据得到的数据画出了a-F的图线，如图丙所示，从图中可以发现实验操作中存在的问题可能是________。 丙 A．平衡阻力时长木板的倾角偏大 B．处理纸带时去除了开始密集的点 C．砝码和砝码盘总质量没有远小于小车质量 (4)如图丁所示，将原小车换成带有力传感器的、等质量的小车，细线拉力F的大小可以从力传感器获得。从理论上分析，实验得到的a-F图线的斜率与(3)相比，将________(选填“变大”“变小”或“不变”)，理由是_________________。 丁 解析：(1)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。 (2)相邻两计数点间有四个点未画出，相邻两计数点间的时间间隔为T＝＝0.1 s，根据逐差法可得，小车的加速度为a＝ m/s2＝0.51 m/s2。 (3)由题图丙可知，当F＝0时，小车产生了加速度，说明平衡阻力时长木板的倾角偏大，故A正确；如果实验过程没有不当之处，在处理纸带时去除了开始密集的点，那么纸带后面的点得到的数据在a-F的图线中的连线反向延长线也是能过原点的，所以题图丙中a-F图线不过原点与处理纸带时去除了开始密集的点无关，故B错误；设小车的质量为M，砝码和砝码盘总质量为m，由牛顿第二定律得mg＝(M＋m)a，解得a＝mg，实验中，小车的拉力F＝mg，则随着F的增大，即m增大，而将变小，则a-F的图线的斜率变小，特别是M与m接近时，斜率变小更加明显，所以砝码和砝码盘总质量没有远小于小车质量，会使a-F的图线末端向F轴弯曲，不会使a-F的图线不过原点，故C错误。 (4)由(3)可知，原实验得到的a-F图线的斜率为，现将原小车换成带有力传感器的、等质量的小车，由牛顿第二定律得F＝Ma，解得a＝F，所以将原小车换成带有力传感器的、等质量的小车后，a-F图线的斜率变为，大于(3)中a-F图线的斜率。 答案：(1)B　(2)0.51　(3)A　(4)变大　理由见解析 考点二　拓展创新实验 　(2025·广西卷，12) 在用如图甲的装置做“探究加速度与力、质量的关系”实验中： (1)探究小车加速度与小车所受拉力的关系时，需保持小车(含加速度传感器，下同)质量不变，这种实验方法是______________。 甲 乙 (2)实验时，调节定滑轮高度，使连接小车的细绳与轨道平面保持________。 (3)由该装置分别探究M、N两车加速度a和所受拉力F的关系，获得a-F图像如图乙，通过图乙分析实验是否需要补偿阻力(即平衡阻力)。如果需要，说明如何操作；如果不需要，说明理由。 _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ (4)悬挂重物让M、N两车从静止释放经过相同位移的时间比为n，两车均未到达轨道末端，则两车加速度之比aM∶aN＝________。 解析：(1)在研究两个物理量间的关系时，保持其他量不变，所使用的方法为控制变量法。 (2)为了使细绳拉力为小车所受的合外力，需要让连接小车的细绳与轨道平面保持平行。 (3)力传感器上显示的示数为细绳的拉力，要以该拉力作为小车所受的合外力，需要补偿小车所受的阻力，具体操作为撤去细绳连接的力传感器和重物，将木板左端用垫块垫起适当高度，使小车能沿木板匀速下滑。 (4)根据初速度为零的匀加速直线运动的位移时间公式x＝at2可知，aMtM2＝aNtN2，又tM∶tN＝n，解得aM∶aN＝1∶n2。 答案：(1)控制变量法　(2)平行　(3)见解析　(4)1∶n2 实验器材创新：利用力传感器直接测量细绳中的张力作为小车所受的合力；利用加速度传感器直接测量小车的加速度。 ————————————————————— 　(2025·山东滨州二模)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。 甲 乙 实验步骤如下： (1)调整木板倾角使小车匀速运动，平衡阻力； (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模块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)； (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·s-2) 0.62 1.30 1.39 1.69 1.79 (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________________________________________。 丙 (5)随着F继续增大，a-F图像的变化趋势应为___________(选填“①” “②”“③”)。 解析：(2)根据匀变速直线运动规律可知(x3－x2)－(x2－x1)＝aT2，解得a＝。 (4)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阻力过度。 (5)因为用力传感器测得绳的拉力，根据F＝Ma 可知小车质量不变时，加速度与外力F成正比，故填②。 答案： (2)　(4) 平衡阻力过度　(5)② (1)实验器材创新：利用超声波测距传感器测量小车运动的位移；利用力传感器测量细绳的拉力。 (2)测量方法创新：利用超声波测距传感器测量小车运动的位移与时间数据相结合计算得到小车运动的加速度。 ————————————————————— 学科网（北京）股份有限公司 $