第12讲 实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系（讲义）（原卷版）-2025年高考物理一轮复习讲练测（新教材新高考）

这是一份第12讲 实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系（讲义）（原卷版）-2025年高考物理一轮复习讲练测（新教材新高考），共15页。
\l "_Tc10569" 02、知识导图，思维引航 PAGEREF _Tc10569 \h 2
\l "_Tc9111" 03、考点突破，考法探究 PAGEREF _Tc9111 \h 2
\l "_Tc30985" 考点一 教材原型实验 PAGEREF _Tc30985 \h 2
\l "_Tc2386" 知识点一、理清原理与操作 PAGEREF _Tc2386 \h 3
\l "_Tc19855" 知识点二、掌握数据处理方法 PAGEREF _Tc19855 \h 3
\l "_Tc27838" 知识点三、注意实验细节 PAGEREF _Tc27838 \h 4
\l "_Tc10738" 知识点四、做好误差分析 PAGEREF _Tc10738 \h 4
\l "_Tc17665" 考向1 是否需要平衡阻力 PAGEREF _Tc17665 \h 4
\l "_Tc5738" 考向2 是否一定满足m≪M PAGEREF _Tc5738 \h 7
\l "_Tc7971" 考点二 拓展创新实验 PAGEREF _Tc7971 \h 8
\l "_Tc2111" 考向1改进测量力的方案 PAGEREF _Tc2111 \h 9
\l "_Tc27346" 考向2 改进测量加速度的方案 PAGEREF _Tc27346 \h 10
\l "_Tc7625" 04、真题练习，命题洞见 PAGEREF _Tc7625 \h 12
考点一 教材原型实验
知识点一、理清原理与操作
知识点二、掌握数据处理方法
1．逐差法求加速度
先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。
2．作图像找关系
(1)探究加速度与力的关系
以加速度a为纵轴、F为横轴，根据测量的数据描点，然后作出a-F图像，看图像是否是通过原点的直线，就能判断a与F是否成正比。
(2)探究加速度与质量的关系
以a为纵轴、M为横轴，根据各组数据在坐标系中描点，将会得到如图甲所示的一条曲线，由图线只能看出M增大时a减小，不能得出a与M的具体关系。若以a为纵轴、eq \f(1,M)为横轴，将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线，就能判断a与M成反比。
知识点三、注意实验细节
1．平衡阻力的方法：在长木板无滑轮的一端垫上小木块，使其适当倾斜，利用小车重力沿斜面方向的分力与摩擦力平衡。
2．判断小车是否做匀速直线运动，一般可目测，必要时可通过打点纸带，看上面各点间的距离是否均匀。
3．平衡摩擦力时要注意以下两点：
(1)平衡摩擦力时不能在细绳的另一端挂槽码。
(2)平衡摩擦力时必须让小车连上纸带，且让打点计时器处于工作状态。
知识点四、做好误差分析
1．偶然误差
(1)小车、槽码质量的测量。
(2)纸带上各计数点间距的测量。
2．系统误差
(1)平衡阻力不足或者过度。
(2)用槽码的重力替代细绳的拉力。
考向1 是否需要平衡阻力
1．图甲是某研究性学习小组探究小车加速度与合外力关系的实验装置，长木板置于水平桌面上。细线一端与小车相连，另一端通过一个定滑轮和一个动滑轮与固定的弹簧测力计相连，动滑轮下悬挂一个沙桶。改变桶中沙的质量进行多次实验，并记录相关数据。请完成下列问题：
(1)某次实验中，小车释放后弹簧测力计示数如图乙所示，其读数为________N；
(2)实验中得到一条纸带，各计数点到A点的距离如图丙所示，相邻计数点间有四个点未标出，电源的频率为50 Hz。由纸带可知小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位小数)；
(3)以弹簧测力计的示数F为横坐标，以小车的加速度a为纵坐标，画出的a-F图像可能正确的是________。
2．图甲是利用气垫导轨探究在外力一定的条件下，物体加速度与质量关系的实验装置。实验步骤如下：
①气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平；
②用游标卡尺测出挡光条的宽度为L；
③由导轨上标尺读出两光电门中心之间的距离为s；
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动后释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间分别为Δt1和Δt2；
⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量为M；
⑦改变滑块的质量，重复步骤④⑤⑥进行多次实验。
根据上述实验回答下列问题：
(1)关于实验操作，下列说法正确的是______。(多选)
A．应先接通光电门后释放滑块
B．调节气垫导轨水平时，应挂上砝码
C．应调节定滑轮使细线和气垫导轨平行
D．每次都应将滑块从同一位置由静止释放
(2)用测量物理量的字母表示滑块加速度a＝________。
(3)由图乙画出的eq \f(1,a) -M的图线(实线)，可得到砝码和砝码盘的总重力G＝____________N。
(4)在探究滑块加速度a和质量M间的关系时，根据实验数据画出如图乙所示的eq \f(1,a) -M图线，发现图线与理论值(虚线)有一定的差距，可能原因是
___________________________________________________________________________________________________。
【题后总结】
1．在探究放在长木板上的小车的加速度与所受的合外力、质量的关系时，为了使细绳的拉力作为小车所受的合外力，必须平衡小车所受的摩擦力。
2．在利用气垫导轨探究滑块加速度与合外力、质量的关系时，只要气垫导轨处于水平状态，细绳的拉力即为滑块所受的合外力，此时不必使导轨适当倾斜。
考向2 是否一定满足m≪M
3．(2024年1月·广西高考适应性演练)某同学进行“探究加速度与力、质量的关系”的实验，实验装置如图：
(1)实验用到的打点计时器是用来记录________和________的仪器；
(2)在进行实验时，该同学将长木板不带滑轮的一端垫高，使得小车在不受牵引时能拖动纸带沿长木板做__________运动，该操作的目的是补偿阻力；
(3)当槽码的质量m和小车的质量M大小关系满足________时，可以认为小车所受的拉力大小与槽码所受的重力大小相等。
4．某同学设计了如下方案研究质量一定时加速度与合外力的关系，实验装置如图甲所示。
(1)实验时，需要进行的操作是________。
A．平衡阻力时应不挂沙桶
B．用天平测出沙和沙桶的质量
C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车
D．为减小误差，实验中一定要保证沙和沙桶的总质量m远小于小车(含滑轮)的质量M
(2)保持小车(含滑轮)的质量不变，改变沙桶中沙的质量，记录多组传感器的读数F和对应纸带的加速度a的数值，绘制出如图乙所示的a-F图像，实验小组仔细分析图像，得出了实验所用小车(含滑轮)的质量为________kg。
(3)该同学根据测量数据做出如图乙所示的a-F图线没经过原点，该同学做实验时存在的问题是______________________________。
【题后总结】
1．平衡好摩擦力后挂上小盘。
对小车，有FT＝Ma；对小盘，有mg－FT＝ma。所以FT＝eq \f(Mmg,M＋m)＝eq \f(mg,1＋\f(m,M))。
当m≪M时，可近似认为FT＝mg，即小车受到的拉力近似等于小盘和砝码的重力。
因此本实验的实验条件为m≪M。
2．通过实验过程和实验器材的改变，细绳的拉力可以直接或间接测出，此时小车的质量与小盘和盘上砝码的质量间就不需要满足m≪M的关系。
3．若应该满足m≪M而得不到满足时，a-F图像和a-eq \f(1,M)图像都将发生弯曲现象，如图所示。
考点二 拓展创新实验
考向1改进测量力的方案
1.图甲为“探究加速度与物体所受合外力关系”的实验装置，实验中所用小车的质量为M，重物的质量为m，实验时改变重物的质量，记下测力计对应的读数F。
(1)实验过程中，__________(填“需要”或“不需要”)满足M≫m。
(2)实验过程中得到如图乙所示的纸带，已知所用交流电的频率为50 Hz。其中A、B、C、D、E为五个计数点，相邻两个计数点之间还有4个点没有标出，根据纸带提供的数据，可求出小车加速度的大小为________m/s2(计算结果保留3位有效数字)。
(3)当重物质量合适时，小车做匀速运动，此时测力计的读数为F0。更换重物，用a表示小车的加速度，F表示弹簧测力计的示数，下列描绘的a－F关系图像合理的为________。
考向2 改进测量加速度的方案
2.在“用DIS研究加速度和力的关系”实验中：某同学采用光电门测量加速度，实验装置如图。将小车放置在轨道上，使挡光片的左端与小车的左端A点对齐，光电门放在B处，测出A到B的距离L和挡光片的宽度d。由静止开始释放小车，光电门自动测出小车上挡光片通过光电门的时间Δt。
(1)根据题中已知物理量，小车的加速度a＝________(用题中字母表示)。
(2)在上述实验中，下列操作步骤中必须做到的是________。
A.要用天平称量小车质量
B.钩码的质量应该远小于小车质量
C.通过增减配重片来改变小车的质量
D.不论轨道光滑与否，轨道一定要保持水平
(3)上述实验用光电门来测量小车运动的瞬时速度，若考虑挡光片的宽度，得到的速度测量值和真实值相比________。
A.偏大 B.偏小
C.一样大 D.都有可能
(4)为了研究加速度和力的关系，某同学选择画小车的加速度与钩码质量的关系图线，如图所示。分析发现图线在横轴上有截距，这是因为_______________________________________。
1．（2024·甘肃·高考真题）用图1所示实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系。
(1)以下操作正确的是______（单选，填正确答案标号）。
A．使小车质量远小于槽码质量B．调整垫块位置以补偿阻力
C．补偿阻力时移去打点计时器和纸带D．释放小车后立即打开打点计时器
(2)保持槽码质量不变，改变小车上砝码的质量，得到一系列打点纸带。其中一条纸带的计数点如图2所示，相邻两点之间的距离分别为，时间间隔均为T。下列加速度算式中，最优的是______（单选，填正确答案标号）。
A．
B．
C．
D．
(3)以小车和砝码的总质量M为横坐标，加速度的倒数为纵坐标，甲、乙两组同学分别得到的图像如图3所示。
由图可知，在所受外力一定的条件下，a与M成 （填“正比”或“反比”）；甲组所用的 （填“小车”、“砝码”或“槽码”）质量比乙组的更大。
2．（2024·江西·高考真题）某小组探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图（a）所示，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定一遮光片，细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上钩码。
（1）实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行，再适当垫高轨道左端以平衡小车所受摩擦力。
（2）小车的质量为。利用光电门系统测出不同钩码质量m时小车加速度a。钩码所受重力记为F，作出图像，如图（b）中图线甲所示。
（3）由图线甲可知，F较小时，a与F成正比；F较大时，a与F不成正比。为了进一步探究，将小车的质量增加至，重复步骤（2）的测量过程，作出图像，如图（b）中图线乙所示。
（4）与图线甲相比，图线乙的线性区间 ，非线性区间 。再将小车的质量增加至，重复步骤（2）的测量过程，记录钩码所受重力F与小车加速度a，如表所示（表中第组数据未列出）。
（5）请在图（b）中补充描出第6至8三个数据点，并补充完成图线丙 。
（6）根据以上实验结果猜想和推断：小车的质量 时，a与F成正比。结合所学知识对上述推断进行解释： 。
3．（2024·广东·高考真题）下列是《普通高中物理课程标准》中列出的三个必做实验的部分步骤，请完成实验操作和计算。
(1)图甲是“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验装置示意图。图中木板右端垫高的目的是 。图乙是实验得到纸带的一部分，每相邻两计数点间有四个点未画出。相邻计数点的间距已在图中给出。打点计时器电源频率为50Hz，则小车的加速度大小为 （结果保留3位有效数字）。
(2)在“长度的测量及其测量工具的选用”实验中，某同学用50分度的游标卡尺测量一例柱体的长度，示数如图丙所示，图丁为局部放大图，读数为 cm。
(3)在“用双缝干涉实验测量光的波长”实验调节过程中，在光具座上安装光源、遮光筒和光屏。遮光筒不可调节。打开并调节 。使光束沿遮光筒的轴线把光屏照亮。取下光屏，装上单缝、双缝和测量头。调节测量头，并缓慢调节单缝的角度直到目镜中观察到 。
4．（2024·浙江·高考真题）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
（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
（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
（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、、、。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 ；小车加速度的表达式是 。
A． B． C．
5．（2022·浙江·高考真题）（1）①“探究小车速度随时间变化的规律”的实验装置如图1所示，长木板水平放置，细绳与长木板平行。图2是打出纸带的一部分，以计数点O为位移测量起点和计时起点，则打计数点B时小车位移大小为 cm。由图3中小车运动的数据点，求得加速度为 m/s2（保留两位有效数字）。
②利用图1装置做“探究加速度与力、质量的关系”的实验，需调整的是 。
A．换成质量更小的小车 B．调整长木板的倾斜程度
C．把钩码更换成砝码盘和砝码 D．改变连接小车的细绳与长木板的夹角
（2）“探究求合力的方法”的实验装置如图4所示，在该实验中，
①下列说法正确的是 ；
A．拉着细绳套的两只弹簧秤，稳定后读数应相同
B．在已记录结点位置的情况下，确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的两点
C．测量时弹簧秤外壳与木板之间不能存在摩擦
D．测量时，橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板
②若只有一只弹簧秤，为了完成该实验至少需要 （选填“2”、“3”或“4”）次把橡皮条结点拉到O点。
6．（2022·山东·高考真题）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5.00cm，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。
（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。
（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。
考情分析
2024·甘肃·高考真题物理试题
2024·江西·高考真题物理试题
2024·广东·高考真题物理试题
2024·浙江·高考真题物理试题
2022·山东·高考真题物理试题
复习目标
目标1.理解实验的原理，明确实验过程并能进行数据处理。
目标2.了解实验的注意事项，会对实验进行误差分析。
目标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。
原理装置图
探究方法——控制变量法
操作
要领
(1)平衡：把木板的一侧垫高，平衡小车受到的阻力(改变小车或槽码质量，无需重新平衡阻力)。
(2)质量：槽码的质量远小于小车质量(若使用力传感器，或以小车与槽码的系统为研究对象无需满足此要求)。
(3)要测量的物理量
①小车与其上砝码的总质量(用天平测量)。
②小车受到的拉力(约等于槽码的重力)。
③小车的加速度(根据纸带用逐差法或根据光电门数据计算加速度)。
(4)其他：细绳与长木板平行；小车从靠近打点计时器的位置释放，在到达定滑轮前按住小车，实验时先接通电源，后释放小车。
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
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。
实验目的创新
(1)结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由vB2－vA2＝2ax得出物块的加速度
(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
序号
1
2
3
4
5
钩码所受重力
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
小车加速度
0.26
0.55
0.82
1.08
1.36
序号
6
7
8
15
钩码所受重力
0.120
0.140
0.160
……
0.300
小车加速度
1.67
1.95
2.20
……
3.92