第三章 实验四 探究加速度与力、质量的关系&格物致用3（配套教参）-【创新教程】2027年高考物理总复习大一轮讲义

高考总复习物理 实验四 探究加速度与力、质量的关系 夯实>基础实验 学生用书P59 分层梳理要点落实 学会用控制变量法研究物理规律 ●注意事项 1.实验方法：控制变量法 实验目的 探究加速度与力、质量的关系 2.平衡阻力：在平衡阻力时， 掌握利用图像处理数据的方法 不要悬挂小盘，但小车应连 着纸带且接通电源.用手给 小车一个初速度，如果在纸 打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定 带上打出的点的间隔是均 实验器材 滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电 匀的，表明小车受到的阻力 源、导线、天平、刻度尺、砝码、薄木块 跟它的重力沿斜面向下的 分力平衡. 采取控制变量法，即先控制一个参量 小 3.不重复平衡阻力：平衡了阻 实验原理 车的质量不变，探究加速度a与力F的关系； 再控制小盘和砝码的质量不变，即力不变，探 力后，不管以后是改变小盘 究加速度a与小车质量M的关系 和砝码的总质量还是改变 小车和砝码的总质量，都不 需要重新平衡阻力. 氏带 (1)称量质量：用天平测量小盘的质量m和小 4.实验条件：M>m.只有如 车的质量M 此，小盘和砝码的总重力才 小盘 小车 可视为小车受到的拉力. 打点计时器 的长木板 砝码 实验台 (2)安装器材：按照图示装置把实验器材安装 5.一先一后一按住：改变拉力 好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上 和小车质量后，每次开始时 (即不给小车牵引力) 小车应尽量靠近打点计时 实验 器，并应先接通电源，后放 步骤 开小车，且应在小车到达滑 (3)平衡阻力：在长木板的不带定滑轮的一端 轮前按住小车。 下面垫上一块薄木块，使小车匀速下滑 6.作图：作图时两轴标度比例 要适当，各量须采用国际单 位.这样作图线时，坐标点 (4)操作：①小盘通过细绳绕过滑轮系于小车 间距不至于过密，误差会 上，先接通电源后放开小车，取下纸带编 小些 号码 ●误差分析 ②保持小车的质量M不变，改变砝码和 1.因实验原理不完善引起误 小盘的质量m,重复步骤① 差.本实验用小盘和砝码的 ③保持砝码和小盘的质量m不变，改变小 总重力mg代替小车的拉 车质量M,重复以上步骤 力，而实际上小车所受的拉 力要小于小盘和砝码的总 :(1)计算加速度（用逐差法） 重力. 数据处理 2.平衡阻力不准确、质量测量 (2) 作图像找关系(a一F图像、a 图像) M 不准确、计数点间距测量不 准确、纸带和细绳不严格与 实验结论 加速度与合外力成正比，与质量成反比 木板平行都会引起误差 ·78· 第三章牛顿运动定律 突破实验热点 学生用书P60 实验热点逐一突破 热点一实验原理与实验操作 [典例1]同学们实验室中进行“探究加速度与力、 角度过小，A错误，B正确；由实验装置可知，当盘 质量的关系”的实验.甲组同学用如图1的装置进 和砝码的质量远小于小车的质量时，就近似认为盘 行实验 和砝码的重力大小等于对小车的拉力，末端发生弯 纸带打点计时器 曲的原因是盘和砝码的质量不是远小于小车的质 小生 量，即所挂钩码的质量较大，C错误，D正确. (3)由题意可知，滑块经光电门1和2时的速度大 小分别为的品是 由速度位移关系公式可得滑块的加速度的表达式 (1)实验中关于“消除摩擦力”的正确操作是图中的 (“A”或“B”)； -=「1 1 2L 打点计时器 打点计时器 2Ll(A2)2(△)： 小年 实验探究当物体质量一定时，其运动的加速度与合 一纸带 外力之间的关系.由于气垫导轨的摩擦力很小，可 以忽略不计，因此利用该装置做实验不需要平衡摩 长木板 长木板 擦力. (2)小车质量一定，研究加速度与力 [答案](1)B (2)BD 的关系时，该同学根据测得的数据作 1 不需要 出a-F图像，如图发现图像既不过 (a品a (△t,)] 原点，末端又发生了弯曲，可能的原 [典例2](2025·浙江1月卷，14(I)“探究加速度 因是 与力、质量的关系”的实验装置如图所示， A.不过原点的原因是消除阻力时，木板的倾斜角 电火花 度过大 细线 小车纸带（®，打点计时器 B.不过原点的原因是消除阻力时，木板的倾斜角度 过小 C,末端发生弯曲的原因是小车质量较大 D.末端发生弯曲的原因是所挂钩码的质量较大 (3)乙组同学设计了如下图的实验探究当物体质量 (1)如图是某次实验中得到的纸带的一部分.每5 一定时，其运动的加速度与合外力之间的关系.由 个连续打出的点为一个计数点，电源频率为50Hz, 图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离为L, 打下计数点3时小车速度为 m/s(保留三 测得遮光条宽度为 位有效数字). 光电门2 数字计时器光电门1 0 2 3 4 啊 气垫导轨亡 滑块 遮光条 234567891011121314151617 单位：cm (2)下列说法正确的是 (多选) 品婆♪立连气豫 钩码月 A.改变小车总质量，需要重新补偿阻力 ①该实验小组在做实验时，将滑块从图中所示位置 B.将打点计时器接到输出电压为8V的交流电 由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光 源上 电门1的时间△t1,遮光条通过光电门2的时间 C.调节滑轮高度，使牵引小车的细线跟长木板保持 △t2,则滑块的加速度的表达式a= (以上 平行 表达式均用题中所给字母表示)； D.小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源， ②利用该装置做实验， (选填“需要” 后释放小车 或“不需要”)平衡摩擦力 (3)改用如图1所示的气垫导轨进行实验.气垫导 解析](1)关于“消除摩擦力”的原理是利用小车 轨放在水平桌面上并调至水平，滑块在槽码的牵引 的重力沿倾斜长木板向下的分力平衡小车运动中 下先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了 受到的阻力，因此不用挂盘和砝码，正确操作是图 遮光条通过光电门1、2的遮光时间分别为△t1, 中的B. △2，测得两个光电门间距为x,用游标卡尺测量遮 (2)a-F图像不过原，点，由图像可知，当小车受到 光条宽度d,结果如图2所示，其读数d= 的拉力不是零时，小车的加速度仍是零，其原因是 mm,则滑块加速度a= (用题中所给物理 没有消除摩擦力或消除摩擦力不够，即木板的倾斜 量符号表示). ·79· 高考总复习物理 光电门2 光电门1 遮光条 对于B,电火花计时器需要接220V交流电源，选 连气源 项B错误； 对于C,调节滑轮高度，使牵引小车的细线与长木 板保持平行，选项C正确； 对于D,小车应尽量接近打点计时器，并应该先接 图1 通电源后释放小车，以充分利用纸带，选项D正确. 0cm 2 llll 故选CD. mmmm (3)遮光条宽度d=10mm十0.05mm×0 05101520 图2 =10.00mm, [解析] (1)相邻计数点间的时间间隔T=0.1s, 经过两光电门时的速度分别为一品品 d 打计数点3时的速度西一27 24 (16.70-8.90)×10 -m/s=0.390m/s, 0.2 [答案] (1)0.390(2)CD (2)对于A,平衡摩擦力时满足ng sin0=μng cos (3)10.00 (1 1 日，两边质量消掉，改变小车质量时不需要重新平衡 摩擦力，选项A错误； 热点二 实验的改进与创新 创新角度 实验装置/原理图 创新解读 力传感器又 轻质滑轮① 砂桶 实验 架 和砂 1.利用力传感器可得轻绳上拉力大小 原理 白铝箱 2.将探究加速度与合力的关系转化为探究加速度 创新 打点计 与力传感器的示数的关系 时器 位移传感器（发射器）位移传感器（接收器） 实验 器材 门小车 利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的 轨道 加速度 创新 己钩码 光电门 遮光条滑块 气垫导轨 1.用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度 实验 可测滑块的速度 器材 力传 连气源 2.利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦力 创新 感器 刻度尺 3钩码 3.由力传感器测滑块的拉力，无需满足m<M 实验 电门 1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由 过程 -v=2a.x得出物块的加速度 创新 2.结合牛顿第二定律mg一Mg=(M十m)a得出 物块与水平桌面间的动摩擦因数 [典例3](2025·安徽卷，11)某实验小组通过实验 小车打点计时器 探究加速度与力、质量的关系. 纸带 (1)利用图甲装置进行实验，要平衡小车受到的阻 槽码亡 轨道 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). 图甲 ·80· 第三章牛顿运动定律 a.能在轨道上保持静止 [典例4幻(2025·山东卷，13)某小组采用如图甲所 b.受牵引时，能拖动纸带沿轨道做匀速运动 示的装置验证牛顿第二定律，部分实验步骤如下： 数字毫秒计 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 遮光片 光电门2 小车 装有力传感器和加速度传感器，将物体置于力传感 光电门1山 一长直轨道 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F、和物体的加速度a,并将数据实 托盘及砝码 时传送到计算机： 图甲 ①图丙是根据某次实验采集的数据生成的F、和a (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 随时间t变化的散点图，以竖直向上为正方向.t= 滑轮的细线将小车与托盘及砝码相连.选用d= 4s时，物体处于 (选填“超重”或“失重”) cm(填“5.00”或“1.00”)的遮光片，可以 状态；以F、为横轴、a为纵轴，根据实验数据拟合 较准确地测量遮光片运动到光电门时小车的瞬时 速度 得到的a-F、图像为图丁中的图线a. (2)将小车自轨道右端由静止释放，从数字毫秒计 ②若将物体质量增大一倍，重新进行实验，其a-F、图 分别读取遮光片经过光电门1、光电门2时的速度 像为图丁中的图线 (选填““c”或“”) u1=0.40m/s、v2=0.81m/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=1.00s, 20 计算小车的加速度a m/s2(结果保留2 箱体 0 位有效数字)· -10 0 (3)将托盘及砝码的重力视为小车受到的合力F, t/s 改变砝码质量，重复上述步骤，根据数据拟合出 物体 a一F图像，如图乙所示.若要得到一条过原点的直 线，实验中应 (填“增大”或“减小”)轨道的 加速度传感器 力传速器 100 倾角. ↑a/ms2） 图乙 图丙 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.10 0.20 0.30FN 图乙 (4)图乙中直线斜率的单位为 (填“kg”或 图丁 “kg1”). [解析](1)平衡阻力的方法是：调整轨道的倾斜 [解析](1)实验用遮光片通过光电门的平均速度 代替瞬时速度，遮光片宽度越小，代替时的误差越 度，使小车不受牵引时，能拖动纸带沿轨道做匀速 小，故为较准确地测量遮光片运动到光电门时小车 运动.故选c. 的瞬时速度，选择宽度较小的d=l.00cm的遮 (2)根据图像可知t=4s时，加速度方向竖直向下， 光片； 故处于失重状态； (2)根据加速度的定义式可得4=二 t 对物体根据牛顿第二定律FN一mg=ma, =0.41m/s2 (3)根据图像可知当有一定大小的外力F时此时小 整理得a=】·F、一g, m 车的加速度仍为零，可知平衡摩擦力不足，若要得 到一条过原点的直线，需要平衡摩擦力，故实验中 可知图像的斜率为】，故将物体质量增大一倍，图 应增大轨道的倾角； 像斜率变小，纵轴截距不变，其a一F、图像为图丁 （④)图乙中直线舒丰为及=是银据F=mu可知直 中的图线d. 线斜率的单位为kg1. [答案](1)1.00(2)0.41(3)增大(4)kg [答案](1)c(2)①失重②d ·81 高考总复习物理 [格物致用3]牛顿运动定律三类情境命题 学生用书P62 牛顿运动定律是力学中的核心问题，在科学、社会、生活、体育中有极其重要的作用，牛顿运动定律解决实 际问题比比皆是，随处可见， 情景1 体育赛事类 (1)杆的长度L; [典例1] 滑雪是冬季常见的体 (2)算珠与杆间的动摩擦因数； 育运动.如图所示，一滑雪运动 (3)算珠的质量m. [解析](1)根据v-t图像与横轴围成的面积表 员与装备总质量为70kg,若从 示位移，可知杆的长度为 倾角为30°的山坡顶端由静止向 下滑行，在未借助滑雪杖的情况下10s内会向下 L=x+2d=号×0.3×0.2m+2×7.5×103m= 2 滑行100m.现该运动员借助滑雪杖的作用从静止 0.045m. 开始向下滑行，每次滑雪杖作用的时间为1s,间隔 (2)撤去F后，算珠做匀减速运动的加速度大小为 时间为2s,其每次借助滑雪杖时都能获得140N 的沿山坡向下的推力，重力加速度g=10m/s2,运 △U2 0.3 a,-d,=0.20.m/s=3m/s 动员滑行过程中受到的阻力不变.求： 根据牛顿第二定律有mg=ma2, (1)运动员滑行过程中受到的阻力大小 可得算珠与杆间的动摩擦因数为μ=0.3. (2)运动员最初3s内滑行的距离. (3)算珠做匀加速运动的加速度大小为 [解析](1)设没有滑雪杖作用时，运动员沿山坡 △u1_0.3 向下滑行的加速度大小为a,由运动学规律可得 a-0:im/s=3 m/s, = 2a1, 根据牛顿第二定律有F-mg=ma1, 联立解得算珠的质量为m=0.02kg. 代入数据解得a=2m/s2, [答案](1)0.045m;(2)0.3;(3)0.02kg 设运动员受到的阻力大小为f,由牛顿第二定律可 情景3」 生活情境类 得mng sin30°-f-ma, 代入数据解得f=210N. [典例3]现在有些餐厅推行了送餐机器人，深受就 (2)设有滑雪杖作用时，运动员运动的加速度大小 餐消费者的喜爱.一质量为m的送餐机器人在送 餐过程中沿一直线运动，先后经过匀加速、匀速和 为a',由牛顿第二定律可得 mgsin30°+F-f=ma', 匀减速运动过程，已知机器人在这三个运动过程中 解得a'=4m/s2, 的位移均为，所用时间分别为21t和受.（已知重 作用t1=1s后运动员获得的速度大小为 力加速度为g).求： v1=a't1=4m/s, (1)匀加速过程机器人所受到的合外力； 此段时间内运动员滑行的距离为 (2)从匀减速开始到停下来机器人所走的位移 1 2a't=2m, 大小 在接下来的t2=2s滑行的距离 [解析](1)匀速运动的速度为0=之， t =4+2a6=l2m, 设匀加速运动的初速度为1，根据平均速度公式有 所以运动员最初3s内滑行的距离 十v= 2-2t' xo=x1十x2=14m. 联立解得1=0， [答案] (1)210N;(2)14m 情景2】 传统文化类 对匀加速运动，根据往移时间公式有=2(2) [典例2]如图甲所示，水平桌面上静置有一算盘， 解得a 中间带孔的算珠可穿在固定的杆上滑动，使用时发 2疗所以F=ma-学 现有一颗算珠位于杆的一端处于未归零状态，在 (2)对匀减速直线运动，根据平均速度公式有 t=0时刻对算珠施加沿杆方向的力F=0.12N使 U2十U 其由静止开始运动，经0.1s撤去F,此后再经 2 3t 0.1s恰好能到达另一端处于归零状态.算珠在整 个运动过程中的v-t图像如图乙所示，算珠的厚 解得V2= 3t' 度d=7.5mm,g取10m/s2,与杆间的动摩擦因数 恒定.求： 归零状态未归零状态 匀减速直线运动的加速度大小口'=上。31=4 3 91 0.3 0.2 由速度位移关系式得x=2a一8， 甲 [答案】1)学：(2曾 8 ·82