第3章 实验4 探究加速度与力、质量的关系(教参Word版)-【创新教程】2027年高考物理总复习大一轮讲义

该高中物理高考复习讲义聚焦“探究加速度与力、质量的关系”实验专题，覆盖实验原理、操作规范、误差分析及创新改进等核心考点，按基础操作到创新应用的逻辑层次组织知识点，通过考点梳理、方法指导、真题训练等环节，帮助学生构建实验问题的分析框架和解题思路。 讲义突出实验创新与核心素养培养，如利用光电门、力传感器等器材改进实验，引导学生分析M≫m条件的误差来源，培养科学探究和科学思维能力。设置基础操作、数据处理、创新应用分层练习，配合2025年浙江、山东等卷真题精讲，确保高效复习，提升学生应考能力，为教师把控复习节奏提供有力支撑。

实验四　探究加速度与力、质量的关系 注意事项 1．实验方法：控制变量法． 2．平衡阻力：在平衡阻力时，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，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡． 3．不重复平衡阻力：平衡了阻力后，不管以后是改变小盘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． 4．实验条件：M≫m.只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力． 5．一先一后一按住：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车． 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，坐标点间距不至于过密，误差会小些． 误差分析 1．因实验原理不完善引起误差．本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力． 2．平衡阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差． 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、质量的关系”的实验．甲组同学用如图1的装置进行实验． (1)实验中关于“消除摩擦力”的正确操作是图中的　______　(“A”或“B”)； (2)小车质量一定，研究加速度与力的关系时，该同学根据测得的数据作出aF图像，如图发现图像既不过原点，末端又发生了弯曲，可能的原因是　______　. A．不过原点的原因是消除阻力时，木板的倾斜角度过大 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一定时，其运动的加速度与合外力之间的关系．由图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离为L，测得遮光条宽度为d. ①该实验小组在做实验时，将滑块从图中所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块的加速度的表达式a＝　________　(以上表达式均用题中所给字母表示)； ②利用该装置做实验，　____________　(选填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力 [解析]　(1)关于“消除摩擦力”的原理是利用小车的重力沿倾斜长木板向下的分力平衡小车运动中受到的阻力，因此不用挂盘和砝码，正确操作是图中的B. (2) aF图像不过原点，由图像可知，当小车受到的拉力不是零时，小车的加速度仍是零，其原因是没有消除摩擦力或消除摩擦力不够，即木板的倾斜角度过小，A错误，B正确；由实验装置可知，当盘和砝码的质量远小于小车的质量时，就近似认为盘和砝码的重力大小等于对小车的拉力，末端发生弯曲的原因是盘和砝码的质量不是远小于小车的质量，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v1＝，v2＝ 由速度位移关系公式可得滑块的加速度的表达式a＝＝， 实验探究当物体质量一定时，其运动的加速度与合外力之间的关系．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擦力． [答案]　(1)B　(2)BD (3)　不需要 [典例2]　(2025·浙江1月卷，14(Ⅰ))“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图所示． (1)如图是某次实验中得到的纸带的一部分．每5个连续打出的点为一个计数点，电源频率为50 Hz，打下计数点3时小车速度为　________　 m/s(保留三位有效数字)． (2)下列说法正确的是　________　(多选) A．改变小车总质量，需要重新补偿阻力 B．将打点计时器接到输出电压为8 V的交流电源上 C．调节滑轮高度，使牵引小车的细线跟长木板保持平行 D．小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车 (3)改用如图1所示的气垫导轨进行实验．气垫导轨放在水平桌面上并调至水平，滑块在槽码的牵引下先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了遮光条通过光电门1、2的遮光时间分别为Δt1，Δt2，测得两个光电门间距为x，用游标卡尺测量遮光条宽度d，结果如图2所示，其读数d＝　________　mm，则滑块加速度a＝　________　(用题中所给物理量符号表示)． 图1 图2 [解析]　(1)相邻计数点间的时间间隔T＝0.1 s，打计数点3时的速度v3＝ ＝ m/s＝0.390 m/s， (2)对于A，平衡摩擦力时满足mg sin θ＝μmg cos θ，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； 对于B，电火花计时器需要接220 V交流电源，选项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，并应该先接通电源后释放小车，以充分利用纸带，选项D正确．故选CD. (3)遮光条宽度d＝10 mm＋0.05 mm×0＝10.00 mm， 经过两光电门时的速度分别为v1＝，v2＝， 根据v－v＝2ax，解得a＝. [答案]　(1)0.390　(2)CD (3)10.00　 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 实验 原理 创新 1.利用力传感器可得轻绳上拉力大小 2．将探究加速度与合力的关系转化为探究加速度与力传感器的示数的关系 实验 器材 创新 利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度 实验 器材 创新 1.用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度 2．利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦力 3．由力传感器测滑块的拉力，无需满足m≪M 实验 过程 创新 1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由v－v＝2ax得出物块的加速度 2．结合牛顿第二定律mg－μMg＝(M＋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)． 图甲 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FN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FN和a随时间t变化的散点图，以竖直向上为正方向．t＝4 s时，物体处于　________　(选填“超重”或“失重”)状态；以FN为横轴、a为纵轴，根据实验数据拟合得到的a FN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a FN图像为图丁中的图线　________　.(选填“b”“c”或“d”) 　 图乙　　　　　　　　图丙　　 图丁 [解析]　(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)根据图像可知t＝4 s时，加速度方向竖直向下，故处于失重状态； 对物体根据牛顿第二定律FN－mg＝ma， 整理得a＝·FN－g， 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a FN图像为图丁中的图线d. [答案]　(1)c　(2)①失重　②d [典例4]　(2025·山东卷，13)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： 图甲 (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＝　________　cm(填“5.00”或“1.00”)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． (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)． (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　________　(填“增大”或“减小”)轨道的倾角． 图乙 (4)图乙中直线斜率的单位为　________　(填“kg”或“kg－1”)． [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，代替时的误差越小，故为较准确地测量遮光片运动到光电门时小车的瞬时速度，选择宽度较小的d＝1.00 cm的遮光片； (2)根据加速度的定义式可得a＝ ＝0.41 m/s2 (3)根据图像可知当有一定大小的外力F时此时小车的加速度仍为零，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，故实验中应增大轨道的倾角； (4)图乙中直线斜率为k＝，根据F＝ma可知直线斜率的单位为kg－1. [答案]　(1)1.00　(2)0.41　(3)增大　(4)kg－1 学科网（北京）股份有限公司 $