第4章 01 实验探究加速度与力、质量的关系（突破疑难）（PPT同步课件）-【学而思】2026-2027学年高一物理必修第一册分层练习（人教版 江苏北京专版）

该高中物理课件聚焦“探究加速度与力、质量的关系”实验，从运动和力的关系切入，通过控制变量法展开，衔接运动学公式与牛顿第二定律，以实验方法、数据处理、误差分析为学习支架。 其亮点在于融合科学探究与科学思维，创新实验方案（如气垫导轨、力传感器），通过逐差法、图像分析验证关系，典例结合受力分析推导深化物理观念，助力学生提升探究能力，教师可高效实施教学。

第四章 运动和力的关系 第1讲　描述运动的基本概念 01　实验:探究加速度与力、质量的关系 实验探究 第1讲　描述运动的基本概念 1.探究方法——控制变量法 (1)控制小车的质量M(包括车上砝码)不变,改变合力F的大小,研究加速度与合外力的关系。 (2)控制合力F不变,改变小车的质量M,研究加速度与质量的关系。 2.要测量的物理量 (1)小车的质量M(包括车上砝码)——用天平测出。 (2)小车受的拉力F——用天平测出槽码的质量m,由F=mg近似算出。 (3)小车的加速度a——①通过打点计时器打出的纸带测算出。 ②此实验测量不同情况下物体加速度的比值即可,可以测出两个做初速度为零的匀加速直线运动的物 体在相同时间内发生的位移x1、x2,由a= ,可得加速度之比就等于位移之比,即 = 。 第1讲　描述运动的基本概念 一、常规实验 1.实验装置图   第1讲　描述运动的基本概念 2.关键步骤 (1)测量质量:用天平测出小车和槽码的质量,并把数据记录下来。 (2)安装器材:按实验装置图将实验器材安装好(小车上不系细线)。   (3)平衡阻力:在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,调节薄木板的位置,直到小车拖动纸带沿长木板 匀速下滑。目的是用细线的拉力表示小车受到的合外力。 (4)具体操作:将小车停在长木板上靠近打点计时器的一端,挂上槽码,先接通电源后放开小车,取下纸带 第1讲　描述运动的基本概念 并在纸带上标上号码以及此时小车的质量M及槽码的质量m。 3.数据处理 (1)利用逐差法求加速度a。   (2)以a为纵坐标,F为横坐标(保持M不变),利用多组数据描点、画线。如果该线为过原点的直线,说明a 与F成正比,如图甲。  　      第1讲　描述运动的基本概念 (3)以a为纵坐标, 为横坐标(保持F不变),利用多组数据描点、画线。如果该线为过原点的直线,就能 判定a与M成反比,如图乙所示。 4.误差分析   图线不过原点 ①图线:未平衡摩擦力或摩擦力平衡不彻底 ②图线:摩擦力平衡过度 图线发生弯曲 ③图线:没有满足m≪M   图线不过原点 ①图线:未平衡摩擦力或摩擦力平衡不彻底 ②图线:摩擦力平衡过度 图线发生弯曲 ③图线:没有满足m≪M 第1讲　描述运动的基本概念 二、实验创新 1.利用弹簧测力计或力传感器测量合外力 实验装置如图所示,实验前需要平衡摩擦力。加速度可由纸带上的点计算得出,合外力可由力传感器或 弹簧测力计直接或间接测出,从而判断加速度a与合外力F的关系。此方案中不需要满足m远小于M的 条件。 第1讲　描述运动的基本概念 2.用气垫导轨替代长木板,利用光电门测加速度 利用气垫导轨替代长木板做实验时,由于滑块与气垫导轨之间的摩擦力极小,故不需要平衡阻力,应将 气垫导轨调水平,重物对滑块的拉力即为合外力,实验装置如图。 第1讲　描述运动的基本概念 3.通过位移之比测量加速度之比 将两个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 放重物,如图甲所示,把木板一端垫高以平衡阻力,且使盘和盘中重物的总质量始终远小于小车与车中 重物的总质量,则小车受到的拉力近似等于盘和盘中重物的总重力。     　　两个小车后端各系一条细线,一起被一个夹子夹着使小车静止,如图乙所示,打开夹子,两个小车同 时开始运动,合上夹子,两小车同时停下,用刻度尺测出两个小车通过的位移,它们的加速度之比等于位 移之比。 第1讲　描述运动的基本概念 勘破疑难 实验操作要点: (1)纸带和细绳要和木板平行。 (2)小车应靠近打点计时器且先接通电源再释放小车。 (3)平衡摩擦力时不要挂重物,整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变槽码的质量还是改变小车及 砝码的质量,都不需要重新平衡摩擦力。   第1讲　描述运动的基本概念 易错警示 实验中必须满足小车和砝码的总质量远大于槽码的总质量。只有如此,槽码的总重力才可视为与小车 受到的拉力相等。 对槽码:mg-F=ma 对小车和砝码:F=Ma 联立得F= = mg 结论:当M≫m时, ≈0,即可认为F=mg,槽码的总重力可视为与小车受到的拉力相等; 若不能满足M≫m时,a- 图线发生弯曲,图线的渐近线为a=g   第1讲　描述运动的基本概念 关键提醒 作图像时,要使尽可能多的点在所作直线上,不在直线上的点应尽可能均匀分布在所作直线两侧。离直 线较远的点应舍去不予考虑。 关键点拨 利用弹簧测力计探究a与F、m关系的实验原理分析: 设弹簧测力计的读数为F,小车做匀加速直线运动,则根据牛顿第二定律有F=Ma,整理得a= ·F,a-F图 线是一条倾斜直线(控制M不变)。 第1讲　描述运动的基本概念 关键点拨 利用光电门测加速度的原理分析: 滑块做匀加速直线运动,经过光电门的速度为v= (已知遮光条宽度d,利用挡光时间t可得出v)根据匀变 速直线运动公式得 - =2aL,又知两光电门之间的距离L,即可求出加速度a。 方法技巧 此实验方法的创新应用了等效替代法。根据x= at2可知x∝a,即通过比较x的大小关系,就可以知道a的 大小关系。 第1讲　描述运动的基本概念 典例　为了探究加速度与力、质量的关系,三位同学分别设计了如图甲、乙、丙所示的实验装置,小车 总质量用M表示(乙图中M包括小车与传感器,丙图中M包括小车和与小车固连的滑轮)①,钩码总质量用 m表示。        第1讲　描述运动的基本概念   丙 (1)三组实验需要平衡摩擦力的是②　　　    (选填“甲”“乙”或“丙”),平衡摩擦力后,当M改变时, 　　　    (选填“需要”或“不需要”)再次平衡摩擦力。 (2)三组实验需要带滑轮的木板上方的细线与木板平行的是③　　　    (选填“甲”“乙”或“丙”)。 第1讲　描述运动的基本概念 (3)乙方案中探究加速度与合外力关系时,通过实验数据画出了一条过坐标原点的倾斜直线,其中纵轴 为小车的加速度大小。当钩码的质量较大导致a较大时④,图线　　　    (填选项前的字母)。 A.逐渐偏向纵轴　    B.逐渐偏向横轴　    C.仍保持原方向不变 (4)丙方案中某同学在分析纸带计算加速度时操作如下:在一条点迹清晰纸带上取了6个计数点(如图 丁),且两相邻计数点的时间间隔为T,按照打点先后的顺序依次标为1、2、3、4、5、6,并测得x1=0.82 cm、x2=2.29 cm、x3=3.7 cm、x4=5.23 cm、x5=6.69 cm,试写出该同学求解小车加速度的表达式⑤a=　     　    (用题中所给字母表示)。   丁 第1讲　描述运动的基本概念 (5)丙方案中保持小车的质量不变,以小车的加速度为纵坐标,以测力计的示数为横坐标,通过多次实验 数据作出的图像是一条倾斜直线,如图戊所示,图线的斜率为k⑥,则小车的质量为　　　    。(用本小问 所给字母表示)   戊 (6)用甲方案探究不同小车与长木板间的动摩擦因数(视为小车在长木板上滑动)。某同学直接将长木 板放在水平桌面上,用不同质量的小车A、B分别探究了其加速度a随拉力F变化的关系,忽略纸带与打 点计时器之间阻力及空气阻力,实验后进行数据处理,得到了小车A、B的加速度a与小车所受拉力F的 第1讲　描述运动的基本概念 关系图像,分别如图己中的A、B所示。该同学分析了图中两条线不重合的原因,是因为两个小车的质 量不等,且MA　　　    MB;两小车与木板之间的动摩擦因数μA　　　    μB。(均选填“大于”“等于” 或“小于”)   己 第1讲　描述运动的基本概念 信息解读 ①不同装置中M的定义不同,需注意受力分析的对象范围。 ②实验中要让小车所受合力等于细线拉力,因此三组实验都需要平衡摩擦力。 ③细线与木板平行,是为了保证绳子拉力方向与小车运动方向一致,避免拉力产生垂直木板的分力,影 响合力的准确性。 ④乙方案用力传感器直接测拉力,无需满足“钩码质量远小于小车质量”的条件,加速度与拉力始终成 正比。 ⑤用逐差法计算匀变速直线运动的加速度,可减小误差,充分利用纸带所有数据。 ⑥丙方案中滑轮结构使小车受到的合力等于2倍的测力计示数,需结合牛顿第二定律F合=Ma分析。 第1讲　描述运动的基本概念 解析    (1)本实验的目的是探究加速度与合力、质量的关系,必须平衡摩擦力才能满足细线对小车的作 用力等于小车受到的合力,所以甲、乙、丙三组实验都需要平衡摩擦力;三组实验平衡摩擦力后,即使 改变M,也均不需要再次平衡摩擦力。 (2)三组实验为保证一次测量中小车的合力和加速度恒定,都需要带滑轮的木板上方的细线与木板平 行。 (3)乙方案中,当钩码质量较大导致a较大时,由于力传感器直接测出了拉力大小,故图线仍保持原方向不 变,C正确。 (4)观察测量数据可以发现该同学使用的刻度尺分度值为1 mm,故x3测量错误应舍去,再利用逐差法可得 a= 。 第1讲　描述运动的基本概念 (5)对丙方案中的小车,由牛顿第二定律可得2F=Ma,解得a= F,a-F图线的斜率为k,则k= ,则小车的质 量为M= 。 (6)由牛顿第二定律可得a= = F-μg,因为A图线斜率更大,故MA小于MB;由图像纵轴截距可得μAg 大于μBg,故μA大于μB。 答案    (1)甲、乙、丙　不需要    (2)甲、乙、丙    (3)C (4)     (5)     (6)小于　大于 第1讲　描述运动的基本概念 点拨　平衡摩擦力的本质是让小车的重力平行长木板方向的分力与摩擦力抵消,即Mg·sin θ=μMg cos θ, 等式两边的M可以约去,因此平衡效果与小车质量无关,改变M后不需要再次平衡摩擦力。 点拨　刻度尺的分度值为1 mm(0.1 cm),读数应估读到0.01 cm,而x3=3.7 cm仅保留一位小数,存在读数错 误,应舍去。 第1讲　描述运动的基本概念 $