第5章 第2节 科学探究：加速度与力、质量的关系-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中物理必修第一册教师用书配套课件（鲁科版）

该高中物理课件聚焦“科学探究：加速度与力、质量的关系”实验，系统涵盖实验目的、原理、器材、步骤、数据处理及误差分析，通过控制变量法搭建“理论铺垫-实验设计-操作验证”的学习支架，衔接牛顿运动定律基础与实验探究应用。 其亮点在于以科学探究为核心，融合科学思维中的模型建构与科学推理。例如通过a-F、a-1/m图像“化曲为直”处理数据，典例中用逐差法精准计算加速度，实验拓展引入力传感器突破传统误差限制。助力学生提升实验操作与数据分析能力，教师可直接应用题型示例与素养训练，高效落实教学目标。

第2节 科学探究：加速度与力、质量的关系 01 基础知识落实 02 必备知识技能 目 录 03 教学效果检测 01 PART 基础知识落实 目 录 一、实验目的 1. 探究加速度与力、质量的关系。 2. 学习利用控制变量法探索物理规律。 二、实验原理与设计 1. 实验的基本思路——控制变量法 （1）保持小车的质量不变，通过增减重物的方式改变作用于小车的拉力 F，测出小车的对应加速度a，可得a与F的关系。 （2）保持拉力F不变，通过在小车上增减砝码的方式改变小车的质量m， 测出小车的对应加速度a，可得a与m的关系。 物理·必修第一册（LK） 目 录 2. 实验设计关键点——测小车的合外力 （1）木板无滑轮的一端垫高，小车受到的重力沿斜面方向的分力抵消小 车受到的摩擦力及其他阻力，小车所受的合外力等于细绳的拉力。 （2）所挂重物的质量远小于小车质量，细绳的拉力大小近似等于重物的 重力。 三、实验器材 带定滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、重物（小钩码或沙桶等）、打点 计时器、纸带、交流电源、天平、砝码、刻度尺。 物理·必修第一册（LK） 目 录 四、实验步骤 1. 将小车置于带有定滑轮的木板上，将纸带穿过打点计时器后挂在小 车尾部。 2. 用薄垫块将木板带有打点计时器的一端垫高，调整其倾斜程度，直至小 车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀为止。 3. 在细绳的一端挂上重物，另一端通过定滑轮系在小车前端。注意重物质 量应远小于小车的质量。 物理·必修第一册（LK） 目 录 4. 将小车靠近打点计时器后开启打点计时器，稍后再将小车由静止释放。 打点计时器在纸带上打出一系列点，据此计算出小车的加速度。保持小车 的质量不变，增加重物的质量（重物的总质量仍远小于小车的质量），重 复实验，将小车所受的不同拉力与相应计算出的加速度记录下来。 5. 保持重物不变，增加或减少小车上的砝码以改变小车的质量，重复实 验，将小车的质量与相应的加速度记录下来。 物理·必修第一册（LK） 目 录 五、数据处理 1. 物体的质量一定，探究加速度与受力的关系 实验序号 1 2 3 4 5 … 拉力F/N 加速度a/（m·s－2） 由表中数据，作出质量m一定时的a-F图像，并得出结论。 物理·必修第一册（LK） 目 录 2. 物体的受力一定，探究加速度与质量的关系 实验序号 1 2 3 4 5 … 质量m/kg /kg－1 加速度a/（m·s－2） 由表中数据，作出力F不变时，a-的图像，并得出结论。 物理·必修第一册（LK） 目 录 六、误差分析 误差类型 产生原因 减小方法 1 偶然误差 质量测量不准、计数点间距测量不准 多次测量求平均值 2 偶然误差 小车所受拉力测量不准 （1）准确平衡摩擦力 （2）使细绳和纸带平行于木板 3 系统误差 重物的总重力代替小车所受的拉力 使重物的总质量远小于小车的 质量 物理·必修第一册（LK） 目 录 七、注意事项 1. 平衡摩擦力时不要挂重物，但小车应连着纸带并启动打点计时器。整个 实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变重物的质量还是改变小车及砝码的 质量，都不需要再重新平衡摩擦力。 2. 在改变重物质量或小车质量时，必须始终满足重物的质量远小于小车和 砝码的总质量。只有如此，小车所受的合外力才可以视为与重物的总重力 大小相等。 3. 拉小车的细绳应尽可能与长木板平行。 物理·必修第一册（LK） 目 录 4. 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 地均匀地分布在所作直线两侧。离直线较远的点是错误数据，可舍去不予 考虑。 5. 释放小车时，小车应靠近打点计时器且先接通电源再释放小车。 物理·必修第一册（LK） 目 录 02 PART 必备知识技能 目 录 题型一｜实验原理与操作 【典例1】　用如图所示的装置研究作用力F一定时，小车的加速度a与小 车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下： A. 用天平称出小车和小桶及内部所装沙子的质量； B. 按图安装好实验器材； C. 把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂沙桶； 物理·必修第一册（LK） 目 录 D. 将电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打 点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车的质量M； E. 保持小桶及其中沙子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次 增加后的M值，重复上述实验； F. 分析每条纸带，测量并计算出加速度的值； G. 作a-M关系图像，并由图像确定a和M的关系。 （1）该同学漏掉的重要实验步骤是 ，该步骤应排在 ⁠ 步骤实验之后。 解析：实验中把小桶及其中沙子的重力看作与小车所受拉力大小相 等，没有考虑摩擦力，故在做实验之前必须平衡摩擦力。该步骤应排 在B步骤之后。 平衡摩擦力 B 物理·必修第一册（LK） 目 录 （2）在上述步骤中，有错误的是 ，应把 ⁠改 为 ⁠。 解析：电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上将无法工作，必须接在4～6 V交流电压的学生电源上。 D 6 V电压的蓄电池 4～6 V交流电压的学生电源 （3）在上述步骤中，处理不恰当的是 ，应把 ⁠改 为 ⁠。 解析：作a-M关系图像，得到的是双曲线的一支，很难做出正确的判断， 必须“化曲为直”，改作a-关系图像。 G 作a-M关系图像 作a-关系图像 物理·必修第一册（LK） 目 录 　下面是“探究加速度与力、质量的关系”实验步骤： ①用天平测出小车的质量m； ②安装好打点计时器，在小车上装好纸带； ③调整长木板的倾斜程度； ④在细绳的另一端跨过定滑轮并挂上适量的钩码m1； ⑤保持小车质量一定时，探究加速度与力的关系； ⑥保持小车所受拉力一定时，探究加速度与质量的关系。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （1）步骤③的目的是 ⁠。 解析：步骤③是为了平衡小车与木板、纸带与打点计时器间的摩擦力，使 小车所受的合力等于细绳的拉力。 （2）步骤④中，要求钩码的质量m1 小车的质量m。 解析：步骤④中，要求钩码的质量m1远小于小车的质量m，以使小车所受 细绳的拉力近似等于钩码的总重力。 （3）步骤⑤和⑥，表明该实验采用的科学方法是 ⁠。 解析：该实验采用的是控制变量法。 平衡摩擦力 远小于 控制变量法 物理·必修第一册（LK） 目 录 题型二｜数据处理与误差分析 【典例2】　某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关 系的实验，如图所示，图甲为实验装置简图（交流电的频率为50 Hz）。 （1）图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小 为 m/s2（保留2位有效数字）。 3.2 物理·必修第一册（LK） 目 录 解析：用逐差法计算加速度。由纸带上的数据可知s1＝6.19 cm，s2＝6.70 cm，s3＝7.21 cm，s4＝7.72 cm。电火花计时器的打点周期为T＝0.02 s， 故加速度a＝≈3.2 m/s2。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （2）保持砂和砂桶的质量不变，改变小车的质量m，分别得到小车的加速 度a与质量m及对应的，数据如下表： 　 实验次数 物理量 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度a/ （m·s－2） 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小车质量m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg－1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 物理·必修第一册（LK） 目 录 请在图丙中画出a􀆼图像，并依据图像求出小车加速度a与质量倒数之间 的关系式是 ⁠。 答案：见解析图　 a＝ 物理·必修第一册（LK） 目 录 解析：根据题目提供的小车加速度a与质量倒数 的有关数据，可在坐标系中描出8个对应点， 用一条直线“连接”各点，使尽量多的点落在 直线上，不在直线上的点大致均匀分布在直线 的两侧，得到的a􀆼图像如图所示，由图可得a ＝。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （3）保持小车质量不变，改变砂和砂桶的质量，该同学根据实验数据作 出了加速度a随合力F变化的图像，如图丁所示。该图像不通过原点，请你 分析其主要原因是 ⁠。 解析：由图可分析，当加速度a为零时，拉力F并不为零，说明实验前没有 平衡摩擦力或者未完全平衡摩擦力。 实验前没有平衡摩擦力或者未完全平衡摩擦力 物理·必修第一册（LK） 目 录 　“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图所示。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （1）某同学在实验中，打出的一条纸带如图所示，他选择了几个计时点 作为计数点，相邻两计数点间还有4个计时点没有标出，其中s1＝7.06 cm、s2＝7.68 cm、s3＝8.30 cm、s4＝8.92 cm，已知交流电的频率为50 Hz，则纸带加速度的大小是 m/s2。（保留2位有效数字） 解析：利用逐差法可得：s4＋s3－s2－s1＝4aT2， 解得a＝＝ m/s2＝0.62 m/s2。 0.62 物理·必修第一册（LK） 目 录 （2）某同学将长木板右端适当垫高，其目的是 。但他把 长木板的右端垫得过高，使得倾角过大。用a表示小车的加速度，F表示细 绳作用于小车的拉力。他绘出的a-F关系图像是 ⁠。 平衡摩擦力 C 解析：将长木板右端适当垫高，其目的是平衡摩擦力；把长木板的右端垫 得过高，使得倾角过大，小车所受重力平行于木板的分力大于小车受到的 摩擦力，小车受到的合力大于细绳的拉力，在小车不受细绳拉力时，小车 已经具有一定的加速度，a-F图像不过原点，在a轴上有截距，因此他绘出 的a-F关系图像是选项C。 物理·必修第一册（LK） 目 录 题型三｜实验拓展与创新 【典例3】　某实验小组用如图1所示 的实验装置探究加速度与力、质量的 关系，重物通过滑轮用细绳拉着小车， 在小车和重物之间接一个不计质量的 微型力传感器，位移传感器（发射器）随小车一起沿水平轨道运动，位 移传感器（接收器）固定在轨道一端，实验中力传感器的拉力为F，保持 小车[包括位移传感器（发射器）]的质量不变，改变重物重力重复实验若 干次，得到加速度与外力的关系。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （1）关于实验操作，下列说法正确的是 ⁠。 A. 实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细绳与木板平行 B. 平衡摩擦力时，在细绳的下端悬挂重物，使小车在绳的拉力作用下能匀 速下滑 C. 每次改变小车所受的拉力后都要重新平衡摩擦力 D. 实验应满足重物的质量远小于小车的质量 解析：实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行，故A 正确；平衡摩擦力时，不用悬挂重物，故B错误；每次改变小车所受的拉 力后不需要重新平衡摩擦力，故C错误；力传感器可以直接得到拉力的大 小，所以重物的质量没有必要远小于小车的质量，故D错误。 A 物理·必修第一册（LK） 目 录 （2）同学甲根据某次实验位移传感器的实验数据作出小车运动的s-t2图像 如图2所示，根据图像可知小车运动的加速度大小为 m/s2；比较发 现此加速度小于力传感器拉力F与小车[包括位移传感器（发射器）]的质 量的比值，原因可能是 ⁠。 解析：根据初速度为0的位移公式s＝at2可知：在s-t2图像中斜率k＝a，所 以a＝2k＝4.0 m/s2。 比较发现此加速度小于力传感器拉力F与小车[包括位移传感器（发射 器）]的质量的比值，原因可能是没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足。 4.0 没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足 物理·必修第一册（LK） 目 录 创新角度分析 （1）利用位移传感器的实验数据作出的s-t2图像求得小车的加速度。 （2）利用力传感器测量小车所受的细线的拉力大小。 物理·必修第一册（LK） 目 录 　在探究“加速度与力、质量的关系”的活动中，某小组设计了如图所示 的实验装置。图中上、下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细绳， 细绳跨过滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细绳连到控制装置上，实验时通 过控制装置使两小车同时开始运动，然后同时停止。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （1）在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使 ⁠ ；在实验时，为减小系统误差，应使砝码盘和砝码的总质量 ⁠ （选填“远大于”“远小于”或“等于”）小车的质量。 解析：拉小车的细绳要与轨道平行。只有在砝码盘和砝码的总质量远小于 小车的质量时，才能认为砝码盘和砝码的总重力等于细绳拉小车的力。 （2）本实验通过比较两小车的位移来比较两小车加速度的大小，能这样 比较，是因为 ⁠。 解析：对初速度为零的匀加速直线运动，运动时间相同时，根据s＝at2， 得＝，所以能用位移来比较加速度的大小。 细绳与轨道平行（或 水平） 远 小于 见解析 物理·必修第一册（LK） 目 录 03 PART 教学效果检测 目 录 1. 〔多选〕利用打点计时器探究加速度与力、质量的关系的实验中，以下 做法正确的是（　　） A. 平衡摩擦力时，应将重物用细绳绕过定滑轮系在小车上 B. 每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力 C. 平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，打点计时器处于工作状态 D. 若纸带上的点分布均匀，说明已平衡了摩擦力 解析：因为小车在运动时要受到阻力，纸带与打点计时器间也有阻力，所以将长木板一端垫高一些，利用小车重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力，此时不能将重物用细绳绕过定滑轮系在小车上，B、C、D正确，A错误。 √ √ √ 物理·必修第一册（LK） 目 录 2. 在探究物体的加速度与合外力的关系实验中，某同学用图a装置，保持小车（含车中重物）的质量M不变，细绳下端悬挂钩码的总重力mg作为小车受到的合力F，用打点计时器测出小车运动的加速度a。 图b中，出现甲的原因是 。图b中，出现丙的原因是 ⁠。 平衡摩擦力过度 平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力 解析：图b中甲，当F＝0时，加速度不为零，可知出现甲的原因是平衡摩 擦力过度；图中丙，当拉力等于一定值时小车才有加速度，则出现丙图的 原因是平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力。 物理·必修第一册（LK） 目 录 3. 某同学采用如图装置来验证当外力一定时加速度和质量的关系，左右等 高的水平桌面上都有一端带滑轮的长木板，木板上都固定有打点计时器， 质量分别为m1和m2的两个小滑块通过一条细绳绕过各自长木板上的定滑轮 相连，动滑轮下吊有沙桶，调整装置使m1和m2在同一直线上，并使细绳与 长木板平行，两个小滑块都与穿过打点计时器限位孔的纸带相连。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （1）本次实验中需要满足沙和沙桶的总质量远小于滑块质量这个条件 吗？ （选填“需要”或“不需要”）。 解析：沙桶对细绳的拉力提供左右两边相等的拉力，这个拉力不需要知道具体数值，所以不需要满足沙子和沙桶的总质量远小于滑块质量。 不需要 物理·必修第一册（LK） 目 录 （2）去掉细绳，分别垫高长木板一端平衡摩擦力。然后连接细绳，调 整沙桶中沙子的质量，接通两个打点计时器的电源，然后由静止释放 沙桶，同时得到对应的丙、丁两条纸带，纸带上相邻两个计数点间还 有4个点未画出，实验时使用的交流电的频率为50 Hz，其中丁图中第 三个计数点未画出。 通过纸带计算两个滑块的加速度a1＝ m/s2，a2＝ m/s2 （均保留3位有效数字）。 1.30 0.737 物理·必修第一册（LK） 目 录 解析：纸带上相邻两个计数点间还有4个点未画出，所以打相邻计数 点的周期T＝0.1 s，对于丙纸带根据逐差法求得a甲＝ ＝×10－2m/s2＝1.30 m/s2，对应丁纸带有s4－s1 ＝3aT2得a≈0.737 m/s2。 （3）由计算可知m1 （选填“＞”“＜”或“＝”）m2。 解析：根据牛顿第二定律可知拉力相等m1a1＝m2a2，质量小的加速度 大，可知m1＜m2。 ＜ 物理·必修第一册（LK） 目 录 4. 某同学用如图甲所示的实验装置做“探究加速度与力的关系”的实 验，方法如下：在水平轨道的B点固定一个光电门，A点有一个小车， 小车上有一个宽度为d的遮光条，用重物通过细线拉小车，小车在A点 由静止开始运动。 物理·必修第一册（LK） 目 录 （1）若A、B之间的距离为L，遮光条通过光电门的时间为t，则小车的加 速度a＝ ⁠。 解析：小车到达B点的瞬时速度vB＝， 再由运动学公式，则有＝2aL， 解得：a＝。 ​ 物理·必修第一册（LK） 目 录 （2）本实验中，他根据实验数据，画出了图乙所示的图像，图线不过原 点的原因是他在实验中漏掉了一个重要的步骤是 ⁠。 解析：根据图像可知，图线不过原点，说明开始施加的力没有产生加速度，用来平衡摩擦力了，所以实验中漏掉的步骤是平衡摩擦力。 平衡摩擦力 物理·必修第一册（LK） 目 录 （3）完善实验步骤后，甲、乙两个同学用同一装置做实验，为方便对 比，两个同学画图时横、纵坐标的标度都是一样的，各自得到了a-F图像如 图丙所示，图像的斜率不同说明两位同学使用的器材中 ⁠ 是不同的，且大小关系是 ⁠。 解析：根据a＝知，图像的斜率为小车和车上砝码的质量的倒数，斜率不同，知小车的总质量不同，由题图可知，m甲＞m乙。 小车的总质量 m甲＞m乙 物理·必修第一册（LK） 目 录 $