内容正文:
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实验4 探究加速度与物体受力、物体质量的关系(原卷版)
内容导航
对标素养,研判高考命题趋势 201
命题透视·考情前瞻
搭建知识框架,构建系统思维 302
思维建模·脉络梳理
拆解核心考点,归纳解题范式 403
考点精讲·靶向突破脉络梳理
考点一 教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系 4
核心知识·解构 4
一、实验原理及器材 4
二、物理量的测量 4
三、实验过程 5
四、数据处理 5
五、注意事项 6
六、误差分析 7
易错辨析·AI原创命题 7
热点考向·破译 7
考向1 实验原理及操作 7
考向2 数据处理及误差分析 9
【思维建模】 a-F图像的三种情况及原因 10
考点二 拓展创新实验 11
核心知识·解构 11
一、实验目的创新 11
二、实验原理创新 11
三、实验器材创新 11
四、实验方案创新:通过位移之比测量加速度之比 12
热点考向·破译 12
考向1 改进测量力的方案 12
考向2 改进测量加速度的方案 12
考向3 拓展实验:测动摩擦因数或物体的质量 13
溯源真题逻辑,感知高考考向 1504
思维建模·脉络梳理
命题透视·考情前瞻
——对标素养,研判高考命题趋势
核心考点
2026年
2025年
2024年
教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系
——
2025•陕晋青宁卷、2025•安徽、2025•浙江
2024•天津、2024•甘肃、2024•广东、2024•浙江
拓展创新实验
2026•河南、2026年·湖北
2025•广西
2024•江西
考情分析
题型与考向:本讲内容是高考物理中力学实验的绝对核心与必考内容,属于“必做实验”中的重中之重。题型以实验题为主,考查内容覆盖了从实验原理、器材选择、操作步骤(平衡摩擦力、控制变量)、数据处理(纸带分析、图像绘制)、误差分析到实验改进与创新的全过程。早期的题目侧重于按照既定步骤完成实验,验证a与F、m的关系。近年来的命题趋势更倾向于考查学生对实验原理的深刻理解、自主设计能力,以及能分析实验结果与理论值之间的误差原因,并能提出改进方案(如用气垫导轨+光电门替代打点计时器,用力传感器替代砝码盘等)。高度强调“控制变量法”与“图像法”:这是该实验的灵魂。命题几乎必定会考查学生是否理解“控制变量法”的思想(先保持m不变,探究a与F的关系;再保持F不变,探究a与m的关系)。同时,a-F图像和a-1/m图像是处理数据、验证规律、发现误差(如不过原点、非线性)的核心工具。
情境与立意:
1. 经典“打点计时器+纸带”实验:用打点计时器打点,通过纸带分析加速度,验证a与F、m的关系。
2. 创新“气垫导轨+光电门”实验 :用光电门测速,气垫导轨减小摩擦,使实验更精确。
3. 创新“传感器+计算机”实验:用位移传感器、力传感器等直接测量,由计算机处理数据。
4. 实验“改进与拓展”: 探究如何减小系统误差(如加装力传感器),或将该实验思想迁移到其他实验(如测质量)。
复习目标
1.理解实验的原理,明确实验过程并能进行数据处理。
2.了解实验的注意事项,会对实验进行误差分析。
3.能理解创新实验的原理,并能运用相应的公式、函数处理数据。
思维建模·脉络梳理
——搭建知识框架,构建系统思维
考点精讲·靶向突破
——拆解核心考点,归纳解题范式
考点一 教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系
核心知识·解构
一、实验原理及器材
1.实验原理:______________
①加速度与力的关系 保持小车______________不变,通过改变______________改变小车所受的拉力。小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力相等。测得不同拉力下小车运动的加速度,分析加速度与拉力的变化情况,找出二者之间的定量关系。
②加速度与质量的关系 保持小车____________不变,通过在______________改变小车的质量。测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度,分析加速度与质量的变化情况,找出二者之间的定量关系。
③作出图像和图像,确定a与F、m的关系.
2.实验器材:小车、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、学生电源、导线、纸带、天平、刻度尺、坐标纸.
二、物理量的测量
1. 质量的测量 可以用______________测量质量。为了改变小车的质量,可以在小车中增减砝码的数量。
2.加速度的测量
①小车做初速度为0 的匀加速直线运动,则测量小车加速度最直接的办法就是用刻度尺测量小车移动的位移x,并用秒表测量发生这段位移所用的时间t,然后由计算出加速度a。
②将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。
③在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度与其他物理量之间的比例关系,因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。如果能做到让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等,那么由式可知,它们的位移之比就等于加速度之比,即,这样,测量加速度就转换成测量位移了。
3. 力的测量 把木板的______________,以补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力。调节木板的倾斜度,使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板______________。挂上槽码,通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力,小车所受的拉力(即小车受到的合力)可认为与槽码所受的重力相等。
三、实验过程
1. 测量:用天平测量槽码的质量m′和小车的质量m.
2. 安装:按照如图所示装置把实验器材安装好,只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车牵引力).
3. 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,使小车能匀速下滑.
4. 操作:
①槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上,先接通电源后放开小车,断开电源,取下纸带,编号码.
②保持小车的质量m不变,改变槽码的质量m′,重复步骤①.
③在每条纸带上选取一段比较理想的部分,计算加速度a.
④描点作图,作的图像.
⑤保持槽码的质量m′不变,改变小车质量m,重复步骤①和③,作图像.
四、数据处理
1. 利用逐差法或v-t图像法求a.
2. 以a为纵坐标,F为横坐标,建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点。如果这些点在一条过原点的直线.附近,说明加速度a 与拉力F 成正比。如果不是这样,则需进一步分析。
3. 以a为纵坐标,m为横坐标,a与m成反比,我们很难直观看出图线是否为双曲线。因此,以a为为纵坐标,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.
五、注意事项
1. 开始实验前首先补偿阻力:适当垫高木板不带定滑轮的一端,使小车的重力沿斜面方向的分力正好补偿小车和纸带受到的阻力.在补偿阻力时,不要把悬挂槽码的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动.
2. 实验过程中不用重复补偿阻力.
3. 实验必须保证的条件:m≫m′.
4. 一先一后一按:改变拉力或小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后释放小车,且应在小车到达滑轮前按住小车.
六、误差分析
1. 实验原理不完善:本实验用槽码的总重力m′g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. 补偿阻力不准确、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.
易错辨析·AI原创命题
1. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,需要平衡摩擦力,平衡摩擦力的方法是给小车施加一个恒定的拉力,使小车能做匀速直线运动。 ( )
2. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,当槽码的质量远小于小车的质量时,细绳对小车的拉力可以近似等于槽码所受的重力。 ( )
3. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,处理数据时,若作出的a-F图像不过原点,则一定是由于没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够导致的。 ( )
4. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,为了直观地判断a与m的关系,通常作出a-m图像。 ( )
5. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,如果小车的加速度是用位移之比来测量的,那么需要保证两小车的运动时间相等。 ( )
【易错点总结表】
易混易错概念
对应题目
关键辨析点
平衡摩擦力的方法
1
平衡摩擦力时,应不挂槽码,将木板一端垫高,轻推小车,使小车拖着纸带做匀速直线运动。此时,重力沿斜面分力与阻力平衡。
“槽码质量远小于小车质量”的条件
2
只有当槽码质量远小于小车质量时,细绳的拉力才近似等于槽码重力。这个条件是为了减小系统误差,使实验更准确。
a-F图像不过原点的原因
3
a-F图像不过原点有两种可能:① F轴有正截距(F>0时a=0),说明平衡摩擦力不足或未平衡;② a轴有正截距(F=0时a>0),说明平衡摩擦力过度。
a-m图像与a-1/m图像的转换
4
为了直观判断a与m成反比,应作a-1/m图像,看是否是一条过原点的直线。直接作a-m图像很难看出是否为双曲线。
用位移之比测量加速度的条件
5
当两个物体做初速度为零的匀加速直线运动,且运动时间相等时,位移之比等于加速度之比。这是“参考案例2”的方法。
热点考向·破译
考向1 实验原理及操作
例1(2026·河南南阳·三模)探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。
(1)除图甲中所示器材,下列仪器中还需要用到的是 (多选,填字母序号)
A.学生电源 B.天平 C.刻度尺 D.槽码 E.重锤 F.秒表
(2)下列实验操作正确的是________。
A.小车应尽量靠近滑轮,先接通电源,后释放小车
B.通过增减小车上的砝码改变质量时,每次都需要重新调节长木板倾斜度
C.调节滑轮高度,使牵引小车的细线跟长木板保持平行
D.平衡摩擦力时,应安装好纸带,并将槽码连接细线跨过定滑轮拴在小车上
(3)如图乙所示是某次实验中得到的纸带的一部分。每5个连续打出的点取一个计数点,电源频率为50Hz,打下计数点2时小车速度为________m/s(保留3位有效数字)。
(4)改用如图丙所示的装置进行实验,小车在水平桌面上运动,用拉力传感器直接测量小车受到的拉力。由实验得到小车加速度a与拉力传感器示数F的关系如图丁所示,则小车所受阻力为________N,小车质量为________kg。(结果均保留1位小数)
考向2 数据处理及误差分析
例2(2026·河南南阳·模拟预测)用图1所示实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系。
(1)以下操作正确的是__________(多选,填正确答案标号。
A.使小车质量远小于槽码质量
B.调整垫块位置以补偿阻力
C.补偿阻力时移去打点计时器和纸带
D.接通电源,打点计时器稳定工作后,再释放小车
(2)保持槽码质量不变,改变小车上砝码的质量,得到一系列打点纸带。其中一条纸带的计数点如图2所示,相邻两点之间的距离分别为,,…,,时间间隔均为。下列加速度算式中,最优的是__________(单选,填正确答案标号)。
A.
B.
C.
D.
(3)以小车和砝码的总质量为横坐标,加速度的倒数为纵坐标,甲、乙两组同学分别得到的图像如图3所示,由图3可知,甲组所用槽码的质量__________(填“大于”“小于”或“等于”)乙组槽码的质量。
【变式训练1】(2026·福建厦门·模拟预测·改编)利用如图甲的实验装置“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”。
(1)图乙是实验得到纸带的一部分,每相邻两计数点间有四个点未画出。相邻计数点的间距已在图中给出。打点计时器电源频率为50Hz,则小车的加速度大小为__________________m/s2(结果保留3位有效数字)。
(2)实验得到的理想图像应是一条过原点的直线,但由于实验误差影响,常出现如图丙所示的①、②、③三种情况。下列说法正确的是_____
A.图线①的产生原因是小车的质量太大
B.图线②的产生原因是平衡摩擦力时长木板的倾角过大
C.图线③的产生原因是小车的质量太小
【思维建模】 a-F图像的三种情况及原因
(1)图线的上部弯曲:当小车受力F较大时,不满足“槽码的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量”的条件
(2)图线在a轴的截距大于0:补偿阻力时长木板的倾角过大,F=0(即不挂槽码)时小车就具有了加速度
(3)图线在F轴的截距大于0:补偿阻力时长木板的倾角过小,或未补偿阻力,只有当F增加到一定值时,小车才获得加速度
考点二 拓展创新实验
核心知识·解构
一、实验目的创新
1. 求出物块通过两光电门的速度,由=2ax得出物块的加速度
2. 结合牛顿第二定律,由mg-μMg=(M+m)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数
二、实验原理创新
挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑,取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,可知小车所受合力为mg。改变砝码质量,多次重复实验探究加速度与物体受力的关系。
三、实验器材创新
位移传感器,速度传感器,拉力传感器,气垫导轨,光电门
四、实验方案创新:通过位移之比测量加速度之比
将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可以放不同的重物。把木板一端垫高补偿阻力的影响。
两小车后端各系一条细线,用一个物体,例如黑板擦,把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦,两小车同时开始运动,按下黑板擦,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同,从它们的位移之比就可以得出加速度之比。在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变小车的质量。
热点考向·破译
考向1 改进测量力的方案
例3(2026·河南南阳·三模)做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图丙是教材中的实验方案,图丁是拓展方案,其实验操作步骤如下:
①挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑;
②取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,测出加速度a;
③改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到a-F的关系。
需要满足条件的方案是________(选填“丙”、“丁”或“丙和丁”);在作a-F图像时,把mg作为F值的是________(选填“丙”、“丁”或“丙和丁”)。
考向2 改进测量加速度的方案
例4(2026·贵州·模拟预测)某实验小组利用某手机软件(可直接测量手机运动的加速度大小)探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图甲所示。已知每个钩码的质量为,当地重力加速度为。
(1)下列说法正确的是______(多选,填正确答案标号)
A.将手机与小车固定,调节长木板倾角,直至轻推小车后手机显示的加速度大小为0
B.使细绳与长木板保持平行,挂上钩码,记录钩码个数与加速度大小
C.每次改变钩码数量后,都需要重新平衡阻力
D.本实验不需要使钩码总质量远小于小车和手机的质量之和
(2)实验小组多次改变钩码个数,记录实验数据并作出小车加速度与钩码个数的关系图像,如图乙所示。由图乙可知,小车和手机的质量之和为______(结果保留1位小数),由此可以得出结论:当物体质量一定时,物体的加速度与受到的力成______(选填“正比”或“反比”)。
考向3 拓展实验:测动摩擦因数或物体的质量
例5(2026·湖南长沙·一模)如图甲,置于水平长木板上的滑块用细绳跨过定滑轮与钩码相连,拖动固定其后的纸带一起做匀加速直线运动,一盛有有色液体的小漏斗,用较长的细线系于纸带正上方的点,当滑块运动的同时,漏斗在垂直于滑块运动方向的竖直平面内做摆角很小(小于)的摆动。漏斗中漏出的有色液体在纸带上留下如图乙所示的痕迹。测得漏斗摆动时细线中拉力的大小随时间的变化图像如图丙所示,重力加速度为。
(1)根据图丙可知漏斗振动的周期___________,及摆长___________。
(2)图乙中测得、两点间距离为x1,D、E两点间距离为。则滑块加速度的大小_________。
(3)始终满足条件下,改变钩码的质量,绘制出钩码质量与加速度之间的关系如图丁所示,已知斜率为,与横轴的交点为,则滑块的质量为___________,滑块与桌面的动摩擦因数为___________。(均用k、b、g表示)
真题溯源·考向感知
——溯源真题逻辑,感知高考考向
1.(2026·湖北·高考真题)某同学设计了一个验证牛顿第二定律的实验,使用的器材有:直导轨、小车、光电门、数字毫秒计、遮光条、天平、钩码、刻度尺、游标卡尺、定滑轮、细绳等。实验装置如图所示,光电门1、2分别固定在导轨、处,遮光条安装在小车上,连接小车两端的细绳分别跨过左右定滑轮、各悬挂10个质量均为的钩码,定滑轮间的细绳与导轨平行。重力加速度大小为 。实验步骤如下:
ⅰ.用天平测量小车和遮光条的总质量 ,用刻度尺测量、间的距离,用游标卡尺测量遮光条的宽度 。
ⅱ.调节导轨倾斜程度,使小车沿导轨向右下滑时通过两个光电门的遮光时间近似相等。
ⅲ.从左侧细绳取下 个钩码挂到右侧细绳,再从导轨左端静止释放小车,用数字毫秒计测量遮光条经过光电门1、2的遮光时间、。
回答下列问题:
(1)步骤ⅱ操作的主要目的是__________。
(2)由牛顿第二定律,小车的加速度大小 __________(用、 、 和 表示)。
(3)步骤ⅲ中测得的小车加速度大小 __________(用 、、和表示)。
(4)该同学根据测出的多组、 值,作出图像。若该图像近似是一条通过原点的直线,则可以验证:质量一定时,物体的加速度与所受合外力成__________。
(5)若图像明显不过原点,原因可能是__________(单选,填标号)。
A.步骤ⅲ中小车没有从静止释放
B.步骤ⅱ中导轨的倾斜程度调节不恰当
C.钩码质量没有远小于小车和遮光条的总质量
2.(2025·陕晋青宁卷·高考真题)下图为探究加速度与力、质量关系的部分实验装置。
(1)实验中应将木板__________________(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图像如图所示,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)
0.2
0.618
0.33
0.482
0.40
0.403
0.50
0.317
1.00
0.152
A.图像 B.图像 C.图像 D.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,_________(填“甲”或“乙”)同学的方法可以更好地减小误差。
3.(2025·安徽·高考真题)某实验小组通过实验探究加速度与力、质量的关系。
(1)利用图甲装置进行实验,要平衡小车受到的阻力。平衡阻力的方法是:调整轨道的倾斜度,使小车___________。(选填正确答案标号)
a.能在轨道上保持静止
b.受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动
c.不受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动
(2)利用图乙装置进行实验,箱体的水平底板上安装有力传感器和加速度传感器,将物体置于力传感器上,箱体沿竖直方向运动。利用传感器测得物体受到的支持力和物体的加速度a,并将数据实时传送到计算机。
①图丙是根据某次实验采集的数据生成的和a随时间t变化的散点图,以竖直向上为正方向。时,物体处于___________(选填“超重”或“失重”)状态;以为横轴、a为纵轴,根据实验数据拟合得到的图像为图丁中的图线a、
②若将物体质量增大一倍,重新进行实验,其图像为图丁中的图线___________。(选填“b”“c”或“d”)
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实验4 探究加速度与物体受力、物体质量的关系(解析版)
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对标素养,研判高考命题趋势 201
命题透视·考情前瞻
搭建知识框架,构建系统思维 302
思维建模·脉络梳理
拆解核心考点,归纳解题范式 403
考点精讲·靶向突破脉络梳理
考点一 教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系 4
核心知识·解构 4
一、实验原理及器材 4
二、物理量的测量 4
三、实验过程 5
四、数据处理 5
五、注意事项 6
六、误差分析 7
易错辨析·AI原创命题 7
热点考向·破译 7
考向1 实验原理及操作 7
考向2 数据处理及误差分析 9
【思维建模】 a-F图像的三种情况及原因 12
考点二 拓展创新实验 13
核心知识·解构 13
一、实验目的创新 13
二、实验原理创新 13
三、实验器材创新 13
四、实验方案创新:通过位移之比测量加速度之比 14
热点考向·破译 14
考向1 改进测量力的方案 14
考向2 改进测量加速度的方案 15
考向3 拓展实验:测动摩擦因数或物体的质量 16
溯源真题逻辑,感知高考考向 1904
思维建模·脉络梳理
命题透视·考情前瞻
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核心考点
2026年
2025年
2024年
教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系
——
2025•陕晋青宁卷、2025•安徽、2025•浙江
2024•天津、2024•甘肃、2024•广东、2024•浙江
拓展创新实验
2026•河南、2026年·湖北
2025•广西
2024•江西
考情分析
题型与考向:本讲内容是高考物理中力学实验的绝对核心与必考内容,属于“必做实验”中的重中之重。题型以实验题为主,考查内容覆盖了从实验原理、器材选择、操作步骤(平衡摩擦力、控制变量)、数据处理(纸带分析、图像绘制)、误差分析到实验改进与创新的全过程。早期的题目侧重于按照既定步骤完成实验,验证a与F、m的关系。近年来的命题趋势更倾向于考查学生对实验原理的深刻理解、自主设计能力,以及能分析实验结果与理论值之间的误差原因,并能提出改进方案(如用气垫导轨+光电门替代打点计时器,用力传感器替代砝码盘等)。高度强调“控制变量法”与“图像法”:这是该实验的灵魂。命题几乎必定会考查学生是否理解“控制变量法”的思想(先保持m不变,探究a与F的关系;再保持F不变,探究a与m的关系)。同时,a-F图像和a-1/m图像是处理数据、验证规律、发现误差(如不过原点、非线性)的核心工具。
情境与立意:
1. 经典“打点计时器+纸带”实验:用打点计时器打点,通过纸带分析加速度,验证a与F、m的关系。
2. 创新“气垫导轨+光电门”实验 :用光电门测速,气垫导轨减小摩擦,使实验更精确。
3. 创新“传感器+计算机”实验:用位移传感器、力传感器等直接测量,由计算机处理数据。
4. 实验“改进与拓展”: 探究如何减小系统误差(如加装力传感器),或将该实验思想迁移到其他实验(如测质量)。
复习目标
1.理解实验的原理,明确实验过程并能进行数据处理。
2.了解实验的注意事项,会对实验进行误差分析。
3.能理解创新实验的原理,并能运用相应的公式、函数处理数据。
思维建模·脉络梳理
——搭建知识框架,构建系统思维
考点精讲·靶向突破
——拆解核心考点,归纳解题范式
考点一 教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系
核心知识·解构
一、实验原理及器材
1.实验原理:控制变量法
①加速度与力的关系 保持小车质量不变,通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力。小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力相等。测得不同拉力下小车运动的加速度,分析加速度与拉力的变化情况,找出二者之间的定量关系。
②加速度与质量的关系 保持小车所受的拉力不变,通过在小车上增加重物改变小车的质量。测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度,分析加速度与质量的变化情况,找出二者之间的定量关系。
③作出图像和图像,确定a与F、m的关系.
2.实验器材:小车、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、学生电源、导线、纸带、天平、刻度尺、坐标纸.
二、物理量的测量
1. 质量的测量 可以用天平测量质量。为了改变小车的质量,可以在小车中增减砝码的数量。
2.加速度的测量
①小车做初速度为0 的匀加速直线运动,则测量小车加速度最直接的办法就是用刻度尺测量小车移动的位移x,并用秒表测量发生这段位移所用的时间t,然后由计算出加速度a。
②将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。
③在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度与其他物理量之间的比例关系,因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。如果能做到让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等,那么由式可知,它们的位移之比就等于加速度之比,即,这样,测量加速度就转换成测量位移了。
3. 力的测量 把木板的一侧垫高,以补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力。调节木板的倾斜度,使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板匀速运动。挂上槽码,通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力,小车所受的拉力(即小车受到的合力)可认为与槽码所受的重力相等。
三、实验过程
1. 测量:用天平测量槽码的质量m′和小车的质量m.
2. 安装:按照如图所示装置把实验器材安装好,只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车牵引力).
3. 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,使小车能匀速下滑.
4. 操作:
①槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上,先接通电源后放开小车,断开电源,取下纸带,编号码.
②保持小车的质量m不变,改变槽码的质量m′,重复步骤①.
③在每条纸带上选取一段比较理想的部分,计算加速度a.
④描点作图,作的图像.
⑤保持槽码的质量m′不变,改变小车质量m,重复步骤①和③,作图像.
四、数据处理
1. 利用逐差法或v-t图像法求a.
2. 以a为纵坐标,F为横坐标,建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点。如果这些点在一条过原点的直线.附近,说明加速度a 与拉力F 成正比。如果不是这样,则需进一步分析。
3. 以a为纵坐标,m为横坐标,a与m成反比,我们很难直观看出图线是否为双曲线。因此,以a为为纵坐标,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.
五、注意事项
1. 开始实验前首先补偿阻力:适当垫高木板不带定滑轮的一端,使小车的重力沿斜面方向的分力正好补偿小车和纸带受到的阻力.在补偿阻力时,不要把悬挂槽码的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动.
2. 实验过程中不用重复补偿阻力.
3. 实验必须保证的条件:m≫m′.
4. 一先一后一按:改变拉力或小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后释放小车,且应在小车到达滑轮前按住小车.
六、误差分析
1. 实验原理不完善:本实验用槽码的总重力m′g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. 补偿阻力不准确、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.
易错辨析·AI原创命题
1. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,需要平衡摩擦力,平衡摩擦力的方法是给小车施加一个恒定的拉力,使小车能做匀速直线运动。 ( × )
2. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,当槽码的质量远小于小车的质量时,细绳对小车的拉力可以近似等于槽码所受的重力。 ( √ )
3. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,处理数据时,若作出的a-F图像不过原点,则一定是由于没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够导致的。 ( × )
4. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,为了直观地判断a与m的关系,通常作出a-m图像。 ( × )
5. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,如果小车的加速度是用位移之比来测量的,那么需要保证两小车的运动时间相等。 ( √ )
【易错点总结表】
易混易错概念
对应题目
关键辨析点
平衡摩擦力的方法
1
平衡摩擦力时,应不挂槽码,将木板一端垫高,轻推小车,使小车拖着纸带做匀速直线运动。此时,重力沿斜面分力与阻力平衡。
“槽码质量远小于小车质量”的条件
2
只有当槽码质量远小于小车质量时,细绳的拉力才近似等于槽码重力。这个条件是为了减小系统误差,使实验更准确。
a-F图像不过原点的原因
3
a-F图像不过原点有两种可能:① F轴有正截距(F>0时a=0),说明平衡摩擦力不足或未平衡;② a轴有正截距(F=0时a>0),说明平衡摩擦力过度。
a-m图像与a-1/m图像的转换
4
为了直观判断a与m成反比,应作a-1/m图像,看是否是一条过原点的直线。直接作a-m图像很难看出是否为双曲线。
用位移之比测量加速度的条件
5
当两个物体做初速度为零的匀加速直线运动,且运动时间相等时,位移之比等于加速度之比。这是“参考案例2”的方法。
热点考向·破译
考向1 实验原理及操作
例1(2026·河南南阳·三模)探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。
(1)除图甲中所示器材,下列仪器中还需要用到的是 (多选,填字母序号)
A.学生电源 B.天平 C.刻度尺 D.槽码 E.重锤 F.秒表
(2)下列实验操作正确的是________。
A.小车应尽量靠近滑轮,先接通电源,后释放小车
B.通过增减小车上的砝码改变质量时,每次都需要重新调节长木板倾斜度
C.调节滑轮高度,使牵引小车的细线跟长木板保持平行
D.平衡摩擦力时,应安装好纸带,并将槽码连接细线跨过定滑轮拴在小车上
(3)如图乙所示是某次实验中得到的纸带的一部分。每5个连续打出的点取一个计数点,电源频率为50Hz,打下计数点2时小车速度为________m/s(保留3位有效数字)。
(4)改用如图丙所示的装置进行实验,小车在水平桌面上运动,用拉力传感器直接测量小车受到的拉力。由实验得到小车加速度a与拉力传感器示数F的关系如图丁所示,则小车所受阻力为________N,小车质量为________kg。(结果均保留1位小数)
【答案】(1)BCD
(2)C
(3)
(4)
【详解】(1)ABCDEF.需要天平称量小车质量,刻度尺测位移,槽码重力替代拉力。故B、C、D正确,A、E、F错误。
故选BCD。
(2)A.小车应尽量靠近打点计时器,先接通电源,后释放小车。故A错误;
B.通过增减小车上的砝码改变质量时,不需要重新调节长木板倾斜度。故B错误;
C.调节滑轮高度,使牵引小车的细线与长木板平行。故C正确;
D.平衡摩擦力时,应安装好纸带,不需要将槽码连接细线跨过定滑轮拴在小车上。故D错误。
故选C。
(3)根据匀变速运动,中间时刻瞬时速度等于全程平均速度。
(4)[1]对小车有,则
结合题图丁可知,时,
[2],解得
考向2 数据处理及误差分析
例2(2026·河南南阳·模拟预测)用图1所示实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系。
(1)以下操作正确的是__________(多选,填正确答案标号。
A.使小车质量远小于槽码质量
B.调整垫块位置以补偿阻力
C.补偿阻力时移去打点计时器和纸带
D.接通电源,打点计时器稳定工作后,再释放小车
(2)保持槽码质量不变,改变小车上砝码的质量,得到一系列打点纸带。其中一条纸带的计数点如图2所示,相邻两点之间的距离分别为,,…,,时间间隔均为。下列加速度算式中,最优的是__________(单选,填正确答案标号)。
A.
B.
C.
D.
(3)以小车和砝码的总质量为横坐标,加速度的倒数为纵坐标,甲、乙两组同学分别得到的图像如图3所示,由图3可知,甲组所用槽码的质量__________(填“大于”“小于”或“等于”)乙组槽码的质量。
【答案】(1)BD
(2)C
(3)大于
【详解】(1)A.为了能忽略槽码失重,使细绳对小车的拉力等于槽码重力,要使槽码质量远小于小车质量,故A错误;
B.本实验需要平衡摩擦力,平衡方法是调整垫块位置以补偿阻力,故B正确;
C.补偿阻力时移去细绳和槽码,依靠重力的下滑分力平衡摩擦力,检查的方法是看纸带上相邻的点间距离是否相等,若相等,则恰好平衡了摩擦力,故C错误;
D.先接通电源,打点计时器稳定工作后,再释放小车,故D正确。
故选BD。
(2)A.整理后得,即只利用了首尾两组数据,偶然误差可能会很大,故A错误;
B.整理后得,即只利用了四组数据,故B错误;
C.8组数据都有利用,故C正确;
D.整理后得,利用了六组数据,故D错误;
故选C。
(3)由牛顿第二定律
解得
斜率
甲组图像的斜率小,则甲组所用槽码的质量大于乙组槽码的质量
【变式训练1】(2026·福建厦门·模拟预测·改编)利用如图甲的实验装置“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”。
(1)图乙是实验得到纸带的一部分,每相邻两计数点间有四个点未画出。相邻计数点的间距已在图中给出。打点计时器电源频率为50Hz,则小车的加速度大小为__________________m/s2(结果保留3位有效数字)。
(2)实验得到的理想图像应是一条过原点的直线,但由于实验误差影响,常出现如图丙所示的①、②、③三种情况。下列说法正确的是_____
A.图线①的产生原因是小车的质量太大
B.图线②的产生原因是平衡摩擦力时长木板的倾角过大
C.图线③的产生原因是小车的质量太小
【答案】(1)2.86
(2)B
【详解】(1)根据“每相邻两计数点间还有四个点未画出”,可知相邻两计数点间的时间间隔为
采用逐差法计算小车的加速度大小
(2)A.图线①在后半段发生了向下弯曲,这是因为当外力过大,导致砝码盘和砝码的质量不再远小于小车质量时,砝码盘和砝码自身的加速度不能忽略,导致实际加速度偏小,图线向下弯曲,即小车的质量太小,故A错误;
B.图线②在纵轴上有正截距,即不加拉力时小车就已经开始加速下滑,这是因为平衡摩擦力时将木板垫得过高,导致倾角过大,重力沿斜面的分力超出了摩擦力所致,故B正确;
C.图线③在横轴上有正截距,即拉力增大到一定值时小车才开始产生加速度,这说明小车受到的拉力有一部分先用来克服摩擦力,这是因为没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足所致,与小车质量的大小无关,故C错误。
故选B。
【思维建模】 a-F图像的三种情况及原因
(1)图线的上部弯曲:当小车受力F较大时,不满足“槽码的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量”的条件
(2)图线在a轴的截距大于0:补偿阻力时长木板的倾角过大,F=0(即不挂槽码)时小车就具有了加速度
(3)图线在F轴的截距大于0:补偿阻力时长木板的倾角过小,或未补偿阻力,只有当F增加到一定值时,小车才获得加速度
考点二 拓展创新实验
核心知识·解构
一、实验目的创新
1. 求出物块通过两光电门的速度,由=2ax得出物块的加速度
2. 结合牛顿第二定律,由mg-μMg=(M+m)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数
二、实验原理创新
挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑,取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,可知小车所受合力为mg。改变砝码质量,多次重复实验探究加速度与物体受力的关系。
三、实验器材创新
位移传感器,速度传感器,拉力传感器,气垫导轨,光电门
四、实验方案创新:通过位移之比测量加速度之比
将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可以放不同的重物。把木板一端垫高补偿阻力的影响。
两小车后端各系一条细线,用一个物体,例如黑板擦,把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦,两小车同时开始运动,按下黑板擦,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同,从它们的位移之比就可以得出加速度之比。在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变小车的质量。
热点考向·破译
考向1 改进测量力的方案
例3(2026·河南南阳·三模)做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图丙是教材中的实验方案,图丁是拓展方案,其实验操作步骤如下:
①挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑;
②取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,测出加速度a;
③改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到a-F的关系。
需要满足条件的方案是________(选填“丙”、“丁”或“丙和丁”);在作a-F图像时,把mg作为F值的是________(选填“丙”、“丁”或“丙和丁”)。
【答案】 丙 丙和丁
【详解】[1][2]对于丙方案,平衡摩擦力后,对整体和小车受力分析,由牛顿第二定律,得拉力
只有满足时,才有,因此丙需要满足,且将作为拉力。对于丁方案,第一步挂上托盘和砝码让小车匀速下滑,受力平衡得
取下托盘和砝码后小车下滑的合力
合力等于,不需要满足,但仍将作为合力。
因此需要满足的是丙,把作为值的是丙和丁。
考向2 改进测量加速度的方案
例4(2026·贵州·模拟预测)某实验小组利用某手机软件(可直接测量手机运动的加速度大小)探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图甲所示。已知每个钩码的质量为,当地重力加速度为。
(1)下列说法正确的是______(多选,填正确答案标号)
A.将手机与小车固定,调节长木板倾角,直至轻推小车后手机显示的加速度大小为0
B.使细绳与长木板保持平行,挂上钩码,记录钩码个数与加速度大小
C.每次改变钩码数量后,都需要重新平衡阻力
D.本实验不需要使钩码总质量远小于小车和手机的质量之和
(2)实验小组多次改变钩码个数,记录实验数据并作出小车加速度与钩码个数的关系图像,如图乙所示。由图乙可知,小车和手机的质量之和为______(结果保留1位小数),由此可以得出结论:当物体质量一定时,物体的加速度与受到的力成______(选填“正比”或“反比”)。
【答案】(1)AB
(2) 0.4 正比
【详解】(1)A.将手机与小车固定,调节长木板倾角,直至轻推小车后手机显示的加速度大小为0,此时小车做匀速直线运动,说明重力沿斜面向下的分力等于摩擦阻力,即完成了平衡阻力,故A正确;
B.实验时,为保证细绳的拉力方向与小车的运动方向一致,需要使细绳与长木板保持平行,挂上钩码,记录钩码个数与加速度大小,故B正确;
C.设小车和手机的总质量为,木板倾角为,动摩擦因数为,平衡阻力时根据平衡条件有
解得
可知平衡阻力的条件与小车的质量无关,因此每次改变钩码数量后,不需要重新平衡阻力,故C错误;
D.本实验用钩码的重力代替小车受到的合力,设钩码总质量为,根据牛顿第二定律对整体和小车分别有,
联立解得
可知只有当钩码总质量远小于小车和手机的质量之和时,即时,才能近似认为小车受到的合力等于钩码的重力,因此本实验需要满足该条件,故D错误。
故选AB。
(2)[1]设每个钩码的质量为,小车和手机的总质量为,根据牛顿第二定律有
推导得
结合图乙可知图像的斜率为
由图乙图像数据可得斜率大小为
联立代入数据解得
[2]由图乙可知,图像是一条过原点的倾斜直线,由于钩码个数与合外力成正比,由此可以得出结论:当物体质量一定时,物体的加速度与受到的力成正比。
考向3 拓展实验:测动摩擦因数或物体的质量
例5(2026·湖南长沙·一模)如图甲,置于水平长木板上的滑块用细绳跨过定滑轮与钩码相连,拖动固定其后的纸带一起做匀加速直线运动,一盛有有色液体的小漏斗,用较长的细线系于纸带正上方的点,当滑块运动的同时,漏斗在垂直于滑块运动方向的竖直平面内做摆角很小(小于)的摆动。漏斗中漏出的有色液体在纸带上留下如图乙所示的痕迹。测得漏斗摆动时细线中拉力的大小随时间的变化图像如图丙所示,重力加速度为。
(1)根据图丙可知漏斗振动的周期___________,及摆长___________。
(2)图乙中测得、两点间距离为x1,D、E两点间距离为。则滑块加速度的大小_________。
(3)始终满足条件下,改变钩码的质量,绘制出钩码质量与加速度之间的关系如图丁所示,已知斜率为,与横轴的交点为,则滑块的质量为___________,滑块与桌面的动摩擦因数为___________。(均用k、b、g表示)
【答案】(1)
(2)
(3)
【详解】(1)[1]漏斗摆动过程做圆周运动,摆动至最高点位置时细线拉力最小,摆动至最低点位置时细线拉力最大,根据图丙有
解得
[2]根据单摆周期公式
可得摆长为
(2)图乙中A、B、C、D、E相邻两点之间的时间间隔相等,均为
根据匀变速直线运动的规律有
解得
(3)[1][2]因始终满足,则可将钩码的重力近似认为等于滑块的牵引力,则由牛顿第二定律
解得
则,
解得,
真题溯源·考向感知
——溯源真题逻辑,感知高考考向
1.(2026·湖北·高考真题)某同学设计了一个验证牛顿第二定律的实验,使用的器材有:直导轨、小车、光电门、数字毫秒计、遮光条、天平、钩码、刻度尺、游标卡尺、定滑轮、细绳等。实验装置如图所示,光电门1、2分别固定在导轨、处,遮光条安装在小车上,连接小车两端的细绳分别跨过左右定滑轮、各悬挂10个质量均为的钩码,定滑轮间的细绳与导轨平行。重力加速度大小为 。实验步骤如下:
ⅰ.用天平测量小车和遮光条的总质量 ,用刻度尺测量、间的距离,用游标卡尺测量遮光条的宽度 。
ⅱ.调节导轨倾斜程度,使小车沿导轨向右下滑时通过两个光电门的遮光时间近似相等。
ⅲ.从左侧细绳取下 个钩码挂到右侧细绳,再从导轨左端静止释放小车,用数字毫秒计测量遮光条经过光电门1、2的遮光时间、。
回答下列问题:
(1)步骤ⅱ操作的主要目的是__________。
(2)由牛顿第二定律,小车的加速度大小 __________(用、 、 和 表示)。
(3)步骤ⅲ中测得的小车加速度大小 __________(用 、、和表示)。
(4)该同学根据测出的多组、 值,作出图像。若该图像近似是一条通过原点的直线,则可以验证:质量一定时,物体的加速度与所受合外力成__________。
(5)若图像明显不过原点,原因可能是__________(单选,填标号)。
A.步骤ⅲ中小车没有从静止释放
B.步骤ⅱ中导轨的倾斜程度调节不恰当
C.钩码质量没有远小于小车和遮光条的总质量
【答案】(1)平衡摩擦力
(2)
(3)
(4)正比
(5)B
【详解】(1)通过两个光电门的遮光时间近似相等,可知速度相等,小车做匀速运动,故步骤ⅱ的主要目的是平衡摩擦力;
(2)根据牛顿第二定律,对整体
解得小车的加速度大小为
(3)根据运动学公式有
解得
(4)根据前面分析有
可知当图像为一条过原点的直线,当质量一定时,物体的加速度与所受到的合外力成正比;
(5)A.小车没有从静止释放,不影响测量的加速度大小,故不会使图像不过原点,故A错误;
B.导轨的倾斜程度调节不恰当时,可知平衡摩擦力不足或者过大,根据牛顿第二定律,对整体
得,图像不过原点,故B正确;
C.根据前面分析,对整体分析得出加速度表达式,当钩码质量没有远小于小车和遮光条的总质量,对本实验没有影响,故C错误。
故选B。
2.(2025·陕晋青宁卷·高考真题)下图为探究加速度与力、质量关系的部分实验装置。
(1)实验中应将木板__________________(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图像如图所示,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)
0.2
0.618
0.33
0.482
0.40
0.403
0.50
0.317
1.00
0.152
A.图像 B.图像 C.图像 D.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,_________(填“甲”或“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
【详解】(1)实验需补偿阻力,消除木板对小车的阻力的影响,应将木板一端垫高,使小车在无拉力时能匀速运动。
(2)A.作出图像,可以将图像“化曲为直”,便于判断,a与m是否成反比关系,故A正确;
B.作出图像,无法体现a与m是否成反比关系,故B错误;
C.作出图像,若a与m是成反比关系,有为定值,则图像是一条平行于横轴的直线,可间接判断a与m是否成反比关系,故C正确;
D.作出图像,无法体现a与m是否成反比关系,故D错误。
故选AC。
(3)甲同学的方法中,槽码依次放在槽码盘上,研究对象小车,其质量M不变,拉力(m为槽码与槽码盘的总质量),但随着m增大,不满足条件,拉力与mg偏差增大,误差会逐渐变大;
乙同学的方法中,将小车上的槽码移到槽码盘上,研究对象是整个系统,其总质量不变,沿运动方向上合外力,系统误差更小。
故乙同学方法更好。
3.(2025·安徽·高考真题)某实验小组通过实验探究加速度与力、质量的关系。
(1)利用图甲装置进行实验,要平衡小车受到的阻力。平衡阻力的方法是:调整轨道的倾斜度,使小车___________。(选填正确答案标号)
a.能在轨道上保持静止
b.受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动
c.不受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动
(2)利用图乙装置进行实验,箱体的水平底板上安装有力传感器和加速度传感器,将物体置于力传感器上,箱体沿竖直方向运动。利用传感器测得物体受到的支持力和物体的加速度a,并将数据实时传送到计算机。
①图丙是根据某次实验采集的数据生成的和a随时间t变化的散点图,以竖直向上为正方向。时,物体处于___________(选填“超重”或“失重”)状态;以为横轴、a为纵轴,根据实验数据拟合得到的图像为图丁中的图线a、
②若将物体质量增大一倍,重新进行实验,其图像为图丁中的图线___________。(选填“b”“c”或“d”)
【答案】(1)c
(2) 失重 d
【详解】(1)平衡阻力的方法是:调整轨道的倾斜度,使小车不受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动。
故选c。
(2)[1]根据图像可知时,加速度方向竖直向下,故处于失重状态;
[2]对物体根据牛顿第二定律
整理得
可知图像的斜率为,故将物体质量增大一倍,图像斜率变小,纵轴截距不变,其图像为图丁中的图线d。
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实验4 探究加速度与物体受力、物体质量的关系(答案版)
考点精讲·靶向突破
——拆解核心考点,归纳解题范式
考点一 教材原型实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系
易错辨析·AI原创命题
1. ×
2. √
3. ×
4. ×
5. √
热点考向·破译
考向1 实验原理及操作
例1【答案】(1)BCD(2)C(3)(4)
考向2 数据处理及误差分析
例2【答案】(1)BD(2)C(3)大于
【变式训练1】【答案】(1)2.86(2)B
考点二 拓展创新实验
热点考向·破译
考向1 改进测量力的方案
例3【答案】 丙 丙和丁
考向2 改进测量加速度的方案
例4【答案】(1)AB(2) 0.4 正比
考向3 拓展实验:测动摩擦因数或物体的质量
例5【答案】(1) (2)(3)
真题溯源·考向感知
——溯源真题逻辑,感知高考考向
1.【答案】(1)平衡摩擦力(2)(3)(4)正比(5)B
2.【答案】(1)一端垫高(2)AC(3)乙
3.【答案】(1)c(2) 失重 d
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