第3章 实验四 探究加速度与物体受力、物体质量的关系-【优化探究】2027年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版）

该高中物理高考复习课件聚焦“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验专题，依据高考评价体系明确实验原理、操作规范、数据处理及误差分析的考查要求，通过近三年高考真题分析，梳理出控制变量法应用、逐差法求加速度、系统误差分析三大高频考点，归纳选择、填空及图像分析典型题型。 课件亮点在于“高考真题实战+核心素养培养”，如以2024浙江1月卷真题为例，详解控制变量法应用及系统误差分析，培养科学探究与科学思维素养。针对a-F图像不过原点等易错点，总结“平衡摩擦力操作口诀”和“图像斜率物理意义分析法”，助力学生掌握实验答题技巧，教师可依托此课件实现考点精准突破与高效复习。

实验四　探究加速度与物体受力、物体质量的关系 第三章　运动和力的关系 1 [学习目标]　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。 2 实验技能　自主学习 实验要点　强化关键能力 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 3 实验技能　自主学习 一 4 原理装置图   实验设计——控制变量法 (1)保持质量不变，探究加速度与合力的关系。 (2)保持合力不变，探究加速度与质量的关系。 改变小车质量M或砝码质量m时，无须重新平衡摩擦力。 操作要求 注意事项 (1)用天平测量小车的质量(M)、托盘和砝码的总质量(m)。 (2)根据设计要求安装实验装置，只是不把悬挂托盘的细线系在小车上。 (3)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)托盘通过细线绕过定滑轮系于小车上，托盘内放入砝码，接通电源后放开小车，断开电源取下纸带，编写号码，保持小车质量M不变，改变托盘和砝码质量m，重复实验得到纸带；保持托盘和砝码的质量m不变，改变小车的质量M，重复实验得到纸带。 (1)平衡摩擦力：平衡摩擦力时，不要把悬挂托盘的细线系在小车上，让小车连着纸带匀速前进。 (2)质量：托盘和砝码的总质量m远小于小车的质量M。 (3)平行：使细线与长木板平行。 (4)靠近：小车从靠近打点计时器的位置释放。 (5)先后：实验时先接通电源后释放小车。 数 据 处 理 (1)利用Δx＝aT2及逐差法求a。 (2)以a为纵坐标，F为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，说明a与F成正比。 (3)以a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。 实验要点　强化关键能力 二 8 命题点一　教材原型实验 9 [典例1]　(2024·浙江1月卷)如图1所示是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。 (1)该实验中同时研究三个物理量间 的关系是很困难的，因此我们采用 的研究方法是__________。  A.放大法 B.控制变量法 C.补偿法 B [解析]　该实验中同时研究三个物理量间的关系是很困难的，因此我们可以控制其中一个物理量不变，研究另外两个物理量之间的关系，即采用了控制变量法，故选B。 (2)该实验过程中操作正确的是__________。  A.补偿阻力时小车未连接纸带 B.先接通打点计时器电源，后释放小车 C.调节滑轮高度使细绳与水平桌面平行 B [解析]　补偿阻力时小车需要连接纸 带，一方面是需要连同纸带所受的阻 力一并平衡，另外一方面是通过纸带 上打出的点间距判断小车是否在长木 板上做匀速直线运动，故A错误；由 于小车速度较快，且运动距离有限，纸带长度也有限，为了能在长度有限的纸带上尽可能多地获取间距适当的数据点，实验时应先接通打点计时器电源，后释放小车，故B正确；为使小车所受拉力与速度同向，应调节滑轮高度使细绳与长木板平行，故C错误。 (3)在小车质量__________(选填“远大于”或“远小于”)槽码质量时，可以认为细绳拉力近似等于槽码的重力。上述做法引起的误差为__________(选填“偶然误差”或“系统误差”)。为减小此误差，下列可行的方案是__________。  A.用气垫导轨代替普通导轨，滑块代替小车 B.在小车上加装遮光条，用光电计时系 统代替打点计时器 C.在小车与细绳之间加装力传感器，测 出小车所受拉力大小 远大于　 系统误差　 C [解析]　设小车质量为M，槽码质量 为m。分别对小车和槽码根据牛顿第 二定律有F＝Ma，mg－F＝ma，联 立解得F＝，由上式可 知在小车质量远大于槽码质量时，可 以认为细绳拉力近似等于槽码的重力。上述做法引起的误差是由实验方法或原理不完善造成的，属于系统误差。该误差是将细绳拉力用槽码重力近似替代所引起的，不是由于车与木板间存在阻力(实验中已经补偿了阻力)或是速度测量精度低造成的，所以为减小此误差，可在小车与细绳之间加装力传感器，测出小车所受拉力大小。故选C。 (4)经正确操作后获得一条如图2所示的纸带，建立以计数点0为坐标原点的x轴，各计数点的位置坐标分别为0，x1，…，x6。已知打点计时器的打点周期为T，则打计数点5时小车速度的表达式v＝__________；小车加速度的表达式是__________。  A.a＝ B.a＝ C.a＝ 　 A [解析]　结合题图2可知，相邻两计数点间的时间间隔为t＝5T，打计数点5时小车速度的表达式为v＝，根据逐差法可得小车加速度的表达式是a＝，故选A。 [典例2]　某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量M的关系”实验。图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花打点计时器，C为装有细沙的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细沙和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。 (1)图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出电火花打点计时器打B点时的速度为__________m/s，小车的加速度大小为__________m/s2。(结果均保留两位有效数字)  1.6 　3.2 [解析]　AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度，即B点的瞬时速度，故 vB＝ m/s≈1.6 m/s。 由逐差法可得小车的加速度 a＝＝ m/s2≈3.2 m/s2。 (2)在“探究加速度a与质量M的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。 [解析]　将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所示。 [答案]　图见解析 (3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学 根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图 丁，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过 坐标原点的原因：__________________________ _______________。  实验前没有平衡摩擦力或平 衡摩擦力不足 [解析]　图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。 (4)实验时改变所挂小桶内细沙的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出a－F关系图线，如图戊所示。此图线的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是________。  A.小车与平面轨道之间存在摩擦 B.平面轨道倾斜角度过大 C.所挂小桶及桶内细沙的总质量过大 D.所用小车的质量过大 C [解析]　在实验中认为细绳的张力F等于细沙和小 桶的总重力mg，实际上，细绳张力F'＝Ma，mg －F'＝ma，即F'＝·mg，a＝·mg＝ ·F，所以当拉力F变大时，m必定变大， 必定减小。当M≫m时，a－F图像为直线，当不满足M≫m时，a－F图像的斜率便逐渐变小，选项C正确。 1.摩擦力平衡不准确引起的误差 (1)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足时，可能会出现图甲所示的情况。 (2)当木板倾角过大，即平衡摩擦力过度时，可能会出现图乙所示的情况。 归纳总结 2.实验原理不完善引起的误差 (1)本实验用小盘和砝码的总重力m'g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。 (2)图丙中，因为F＝mg，当m增大到不满足M≫m时，实验会出现较大误差，图线发生弯曲； 图丁中， 逐渐增大，M逐渐 减小，当M减小到不满足M≫m 时，实验会出现较大误差，图 线发生弯曲。 命题点二　实验创新设计 28 创新角度 实验举例 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 创新角度 实验举例 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关系。 创新角度 实验举例 实验目的创新   (1)先求出物块的加速度a。 (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。 [典例3]　(2025·山东卷)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： (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＝__________ (选填“5.00”或“1.00”)cm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。  1.00 [解析]　实验用遮光片通过光电门的平均速度代替小车的瞬时速度，遮光片宽度越小，代替时误差越小，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)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(结果保留两位有效数字)。  0.41 [解析]　根据加速度的定义式可得 a＝＝0.41 m/s2。 (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__________(选填“增大”或“减小”)轨道的倾角。  增大 [解析]　根据图像可知，当有一定大小的外力F时小车的加速度仍为零，由此可知实验时平衡阻力不足，若要得到一条过原点的直线，实验中应增大轨道的倾角。 (4)图乙中直线斜率的单位为__________(选填“kg”或“kg－1”)。  kg－1 [解析]　题图乙中直线斜率为k＝，根据F＝ma可知直线斜率的单位为kg－1。 [典例4]　(2025·广西卷)在用如图甲的 装置做“探究加速度与力、质量的关系” 实验中： (1)在探究小车加速度与小车所受拉力的 关系时，需保持小车(含加速度传感器，下同)质量不变，这种实验方法是________________。  控制变量法 [解析]　在探究小车加速度与小车所受拉力的关系时，需保持小车(含加速度传感器)质量不变，这种实验方法是控制变量法。 (2)实验时，调节定滑轮高度，使连接小 车的细绳与轨道平面保持_________。  平行 [解析]　实验时，为使小车受到的合外力等于细绳的拉力，要调节定滑轮高度，使连接小车的细绳与轨道平面保持平行，保证细绳对小车的拉力方向与小车运动方向一致，以减小实验误差。 (3)由该装置分别探究M、N两车加速度a和所受拉力F 的关系，获得a－F图像如图乙，通过图乙分析实验是 否需要补偿阻力(即平衡阻力)。如果需要，说明如何 操作；如果不需要，说明理由。____________________ _________________________________________________ __________________________________________。  需要；撤掉与细绳连 接的力传感器和重物，将木板左端用垫块垫起适当高度， 轻推小车，使小车能沿木板匀速下滑 [解析]　由题图乙可知，当拉力F为某一值时才产生加速度，说明小车受到阻力，需要补偿阻力。补偿方法：撤掉与细绳连接的力传感器和重物，将木板左端用垫块垫起适当高度，轻推小车，使小车能沿木板匀速下滑。 (4)悬挂重物让M、N两车从静止释放经过相同位移的 时间比为n，两车均未到达轨道末端，则两车加速度 之比aM∶aN＝__________。  1∶n2 [解析]　两车均从静止释放，都做初速度为零的匀加速直线运动，根据匀变速直线运动的位移公式x＝at2， 可知a＝， 因为tM∶tN＝n∶1， 联立解得aM∶aN＝＝1∶n2。 [典例5]　(经典高考题)在天宫课堂中，我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下： ①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上； ②接通气源，放上滑块，调平气垫导轨； ③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点，A点到O点的距离为5.00 cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时； ④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示。 回答以下问题(结果均保留两位有效数字)： (1)弹簧的劲度系数为__________N/m。  [解析]　初始时弹簧的伸长量为5.00 cm，结合题图乙可读出弹簧弹力为0.610 N，由F＝kx可得弹簧的劲度系数k≈12 N/m。 12 (2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a－F图像如图丙中Ⅰ所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为__________kg。  0.20 [解析]　根据牛顿第二定律F＝ma，结合图丙可得a－F图线斜率的倒数表示滑块与加速度传感器的质量，求得m＝0.20 kg。 (3)该同学在滑块上增加待测物体，重复 上述实验步骤，在图丙中画出新的a－F 图像Ⅱ，则待测物体的质量为________kg。  [解析]　同理图像斜率的倒数为m＋m测，得m测＝0.13 kg。 0.13 $