2025年高一物理同步培优讲练（人教版必修第一册）4.2实验：探究加速度与力、质量的关系（原卷版）

4.2实验：探究加速度与力、质量的关系

1.能够设计探究加速度与力、质量的关系实验方案。

2.能够完成实验的操作和测量过程，以及通过控制变量法对数据进行图像处理，体验如何平衡摩擦力，

减小系统误差（钩码所受的重力不等于小车所受的拉力等）的操作方法。

1．实验原理

(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系．

(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系．

1

(3)作出a－F图象和a－图象，确定其关系．

m

2．实验器材

小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两

根、纸带、天平、米尺．

3．实验步骤

(1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m′和小车的质量m.

(2)安装：按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上

(即不给小车牵引力)．

(3)平衡摩擦力：在长木板的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)操作：①小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码．

②保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤①.

③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.

④描点作图，作a－F的图象．

1

⑤保持砝码和小盘的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－图象．

m

4．规律方法总结

1．注意事项

(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受

到的阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸

带匀速运动．

(2)不重复平衡摩擦力．

(3)实验条件：mm′.

(4)一先一后一按≫：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，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．

2．误差分析

(1)因实验原理不完善引起的误差：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)摩擦力平衡不准确、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．

3．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，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a

与F成正比．

1

(3)以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反

m

比．

[例题1]（2023秋•萨尔图区校级期末）某实验小组欲以如图所示实验装置“探究加速度与物体受

力和质量的关系”．图中A为小车，B为装有砝码的小盘，C为一端带有定滑轮的长木板，小车

通过纸带与电磁打点计时器（未画出）相连，小车的质量为m1，小盘（及砝码）的质量为m2。

（1）下列说法正确的是．

A．实验时先放开小车，再启动计时器

B．每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力

C．本实验中应满足m2远小于m1的条件

D．在用图象探究小车加速度与受力的关系时，应作a﹣m1图象

（2）在实验中挑选一条点迹清晰的纸带如下图，打点计时器的频率为50Hz，每5个点取一个计

数点，用刻度尺测量计数点间的距离，纸带的一段如图所示，由纸带求得小车加速度为

m/s2。（结果保留两位有效数字）

（1）根据实验注意事项分析判断；

（2）根据逐差法求小车加速度；

[变式1]（2023秋•雁塔区期末）采用如图甲所示的实验装置进行“探究加速度与力、质量的关系”

的实验：

（1）把木板的一侧垫高，调节木板的倾斜度，使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿木板匀速运

动。此处采用的物理研究方法是；

A.理想化模型法B.等效替代法C.阻力补偿法

（2）除了图甲中所给器材以及交流电源和导线外，在下列器材中，还必须使用的器材是

（选填正确选项的字母）。

A.秒表B.天平（含砝码）C.刻度尺

（3）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线与木板平行

B.实验时应先释放小车，再接通打点计时器电源

C.每次改变小车所受的拉力后需要重新平衡摩擦力

（4）某次实验得到的纸带如图乙所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1s，则小车的加速

2

度a＝m/s，打下计数点3时的瞬时速度v3＝。（结果保留两位有效数字）

（5）在本实验中认为细线的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力mg，已知三位同学利用实验数据

做出的a﹣F图像如图丙中的1、2、3所示。下列分析正确的是（选填选项前的字母）。

A.出现图线1的原因可能是没有平衡摩擦力

B.出现图线2的原因可能是砝码和砝码盘的质量不合适

C.出现图线3的原因可能是在平衡摩擦力时长木板的倾斜度过大

[变式2]（2023秋•台州期末）利用图甲所示装置可以完成力学中的许多实验，请回答下列问题：

（1）图甲中的打点计时器应选用的电源是。

（2）利用此装置可以做。

A．“探究小车速度随时间变化的规律”实验

B．“探究加速度与力、质量的关系”实验。

①以上两个实验中需要平衡阻力的是（填写“A”、“B”或者“A和B”）；

②下面几组图是平衡阻力过程中的某一瞬间，操作正确的是。

③关于以上两个实验的操作正确的是。

A．实验前都需要调整牵引小车的细线水平

B．实验都要求先接通打点计时器，后释放小车

C．实验都需要槽码的质量远小于小车的质量

D．打出的一条纸带都能获得多组实验数据

（3）经正确操作后打出一条纸带，截取其中一段如图乙所示。点0、1、2、3、4、5为计数点（相

邻两点之间时间差为0.1s），则计数点4的读数为cm，小车的加速度为

m/s2（计算结果保留3位有效数字）。

【基础强化】

1.（2024•广东模拟）控制变量法是科学探究的方法之一。在利用打点计时器“探究加速度与力、

质量的关系”的实验中用到了此方法，该实验装置如图所示，槽码质量远小于小车质量，下列

实验操作正确的是（）

A．实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源

B．实验前无需平衡小车所受的摩擦力

C．探究加速度与质量的关系时，仅改变槽码的质量

D．探究加速度与小车所受拉力关系时，仅改变槽码的质量

2.（2024•西城区校级模拟）用如图所示的实验装置探究“质量一定时，物体加速度与所受合外力

的关系”，小车的质量为M，托盘和砝码的总质量为m，平衡摩擦力后进行实验（）

A．要保证m远小于M

B．小车所受的合外力等于2mg

C．释放小车后立即接通打点计时器

D．在托盘中增加砝码，重复实验

3.（2023秋•碑林区校级期末）在某次探究加速度与力、质量的关系的实验中，甲同学设计了如

图1所示的实验装置，小车总质量用M，重物质量用m表示。

（1）为便于测量合力的大小，并得到小车总质量一定时，小车的加速度与所受合力成正比的结

论，实验中（填“需要”或“不需要”）垫高长木板以平衡摩擦力，（填“需

要”或“不需要”）满足所挂重物质量m远小于小车的总质量M的条件。

（2）按设计装置操作正确地完成实验，根据实验得到一条纸带如图2所示。打点计时器所接交

流电频率为50Hz。图中O、A、B、C、D为相邻的计数点，相邻两计数点间还有4个点未画出，

则小车运动的加速度a＝m/s（结果保留三位有效数字）。

（3）甲同学在保持小车质量不变的情况下，通过调整改变小车所受合力，多次实验，由实验数

据作出的a﹣F图像如图3所示，则小车质量为kg。（结果保留两位有效数字）

【素养提升】

4.（2023秋•西宁期末）用图1所示的实验装置探究加速度与力、质量的关系。

（1）除图中器材外，还需要两种测量工具是（选填选项前的字母）。

A.秒表B.天平（含砝码）C.弹簧测力计D.刻度尺

（2）实验中打出的一条纸带的一部分如图2所示。纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C，

相邻计数点之间还有4个点没有标出。打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。由图中数据

可计算出小车的加速度a＝m/s2（结果保留两位有效数字）。

（3）某同学猜想加速度与力成正比，与质量成反比，因此他认为可以不测量加速度的具体数值，

仅测量不同条件下物体加速度的比值即可。他采用图3所示的实验装置，将轨道分为上下双层排

列，两小车尾部的刹车线由后面的刹车系统同时控制，能使两小车同时运动或同时停下来。实验

中通过比较两辆小车的位移来比较它们的加速度。你认为这位同学的方法可行吗？请说明理由。

5.（2023秋•下城区校级期末）为了探究加速度与物体受力、物体质量的关系，某同学用如图甲

所示的实验装置进行实验。

（1）以下说法正确的是（多选）。

A.验证a与F两者关系时，槽码质量不变，改变小车质量（含车内重物），不需要满足小车质量

远大于槽码质量

B.定滑轮和小车间的细绳要保持水平

C.此实验用一条纸带就可以完成

D.测量相邻两点间的距离时，应该用毫米刻度尺靠近计数点，一次读出所有计数点对应的刻度值，

然后逐一相减，得出相邻计数点间距离的数值

（2）图乙是实验中的一条纸带，已知交流电频率为50Hz，两相邻计数点间均有四个计时点未画

出，根据纸带可求出小车加速度为m/s2。（结果保留两位有效数字）

（3）在图丙中以槽码重力大小为横坐标F，小车加速度a为纵坐标，描点如图丙所示，请作出a

﹣F图线。

（4）根据a﹣F图线，小车的质量（含车内重物）M＝kg。（保留两位有效数字）。

【能力培优】

6.（2023秋•齐齐哈尔期末）一物理兴趣小组用如图所示的装置，探究“加速度与质量的关系”，

通过改变放在小车上的砝码质量，改变小车（含遮光片）与砝码的总质量M。

（1）实验要平衡摩擦力，具体操作为：不悬挂砂桶，将长木板没有定滑轮的一端适当垫高，轻

推小车，如果，则摩擦力得到平衡；

（2）实验还需要的部分操作有；

A．悬挂砂桶后调节细线与木板平行B．测量砂和砂桶质量m

C．调节砂和砂桶质量m远小于MD．小车每次在同一位置释放

（3）调节好实验器材后，第一次实验：由静止释放小车，记录小车经过光电门1、2时遮光片挡

光时间t1、t2，小车（含遮光片）及砝码的总质量M1，力传感器的示数F；第二次实验：向小车

中添加砝码，小车（含遮光片）及砝码的总质量为M2，由静止释放小车，此时会发现力传感器

的示数（选填“大于”或“小于”）F，通过适当（选填“增加”或“减小”）

砂桶中砂的质量，使力传感器的示数仍为F，重新实验，记录小车经过光电门1、2时遮光片挡光

时间t′1、t′2，如果表达式成立，则表明合外力一定时，加速度与质量成反比。

7.（2023秋•沙坪坝区校级期末）某物理兴趣小组的同学设计了如图甲所示的实验装置来探究“当

小车质量不变时，小车加速度和合力之间的关系”。装置中质量不计的力传感器可以测出与之连

接的轻绳拉力的大小，所有滑轮的质量以及与转轴间的摩擦忽略不计，实验过程中木板上方的

轻绳始终保持与木板平行。

（1）实验中正确的做法是（填正确答案标号）。

A．用天平测出砂和砂桶的总质量

B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡阻力

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，实验中一定要保证砂和砂桶的总质量m远小于小车的质量M

（2）某次实验中，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出连续的5个计数点A、B、C、D、E，相

邻两个计数点之间都有4个点迹未标出，测得各计数点到