实验4 探究加速度与物体受力物体质量的关系-高考物理复习 （原卷版）

备战2023年高考物理实验专题突破

实验04探究加速度与物体受力、物体质量的关系

思维突破

学会用控制变量法研究物理规律

探究加速度与力、质量的关系

掌握利用图像处理数据的方快一

打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、

细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、破码、薄木块_________________

采取控制变量法,即先控制一个参量——小车的质量M不变,探究加速

a与力方的关系;再控制小盘和祛码的质盘不变，即力/不变，探究加速度

a与小车质/M的关系

(1)称0质量:用天平测量小盘的质殁口和小车的质量M

(2)安装器材：按照如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，使小车匀

速下滑____________________________________________________________________

(4)操作:

①小盘通过细绳绕过滑轮系r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，改变破码和小盘的质量m,重复步骤①

③保持硅码和小盘的质量m不变，改变小车质量M,重发以上步摄

基本突破

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.

⑶作出a-E图像和a—1图像，确定。与产、，〃的关系.

in

2.实验器材

小车、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、学生电源、导线、纸带、

天平、刻度尺、坐标纸.

3.实验过程

(1)测量：用天平测量槽码的质量〃1和小车的质量利

(2)安装：按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不

给小车牵引力).

纸带

细绳

/

垫木

2

/

Z

--端有/小车打点计时器

Z

槽码占定滑轮/

Z

Z

Z实验台

的长木板/

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

(3)补偿阻力：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)操作：①槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车,断开电源，取

下纸带，编号码.

②保持小车的质量〃?不变，改变槽码的质量〃/，重复步骤①.

③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，计算加速度内

④描点作图，作。一尸的图像.

⑤保持槽码的质量〃?'不变，改变小车质量〃?，重复步骤①和③，作。一1图像.

m

4.数据处理

(1)利用逐差法或v-t图像法求a

(2)以〃为纵坐标，厂为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，说明。与“成正

比.

(3)以。为纵坐标，1为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，就能判定。与〃?

m

成反比.

5.注意事项

(1)开始实验前首先补偿阻力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，使小车的重力沿斜面方向

的分力正好补偿小车和纸带受到的阻力.在补偿阻力时,不要把悬挂槽码的细绳系在小车上,

让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动.

(2)实验过程中不用重复补偿阻力.

(3)实验必须保证的条件：

(4)一先一后一按：改变拉力或小车质量后，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.

6.误差分析

(1)实验原理不完善：本实验用槽码的总重力机'g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉

力要小于槽码的总重力.

(2)补偿阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距离测量不准确、纸带和细绳不严格与木

板平行都会引起误差.

原型突破

细绳小车打点计时器

原理装

Si\纸带

置图'U一端有定滑轮的长木板

探究方法——控制变量法

(1)平衡：用阻力补偿法平衡摩擦力(改变小车或槽码质量，无需重新平衡摩擦力)。

(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

操作要

①小车与其上硅码的总质量(用天平测量)。

领

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。

创新突破

实验装置图创新/改进点

22______(1)实验方案的改进：系统总质量不变化，改变拉力得到若干组

][数据

长福

(2)用传感器记录小车的时间/与位移x,直接绘制X—/图像

(3)利用牛顿第二定律求解实验中的某些参量，确定某些规律

位移传感器位移传感器

(发射器)J(接收器、(1)用传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度

%京小车m(2)图像法处理数据时，用钩码的质量机代替合力£即用〃一〃？

轨道

6钩码图像代替。一“图像

光电门4光电la

引雌(1)用光电门代替打点计时器，遮光条结合光电门测得物块的初

IIL，11占重物速度和末速度，由运动学公式求出加速度

(2)结合牛顿第二定律，该装置可以测出动摩擦因数

打点计时器收帝力少

¥泅力计弹簧测力计测量小车所受的拉力，钩码的质量不需要远小于小

长木木?r44——

加滑轮车质量，更无须测钩码的质量

(1)气垫导轨代替长木板，无须平衡摩擦力

(2)力传感器测量滑块所受的拉力，钩码的质量不需要远小于滑

光电

一气Q［H清.速步

用............，：.......:壬匚入块质量，更无须测钩码的质量

于必出,..由小/

(3)用光电门代替打点计时器，遮光条结合光电门测得滑块的末

速度，由刻度尺读出遮光条中心初始位置与光电门之间的距离，

由运动学公式求出加速度

冒真题突破

1.(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，如图中所示。K要步骤如下：

①将力传感器固定在气垫导轨左端支架匕加速度传感器固定在滑块.匕

②接通气源。放上滑块。调平气垫导轨；

....ltfa8加速度传感器

JJj传感器।~i

(■^QQQQQQQQQQQQ%QQQQ呼滑块气垫导轨

______3----1

।।।D।।।।।1।।।

图甲

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。点。4点到

。点的距离为5.00cm,拉动滑块使其左端处于4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R加速度。随时间，变化的图像，部分图像如

图乙所示。

回答以卜.问题(结果均保留两位有效数字)：

(1)弹簧的劲度系数为.N/rrio

（2）该同学从图乙中提取某些时刻尸与。的数据，画出4—尸图像如图丙中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，重及上述实验步骤，在图丙中画出新的〃一”图像II,

则待测物体的质量为kg。

2.（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。为位移

测量起点和计时起点，则打计数点4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/s?（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.把钩码更换成硅码盘和祛码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。点。

3.（2021・北京•高考真题）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、

实验操作、数据分析等。例如：

（1）实验仪器。用游标卡尺测某金属管的内径，示数如图1所示。则该金属管的内径为

mm。

3主尺4cm

ILLLj|Ijj」」「I

IIIIIIIIIII

0游标尺10

图1

（2）数据分析。打点计时器在随物体做匀变速直线运动的纸带上打点，其中一部分如图2

所示，8、C、。为纸带上标出的连续3个计数点，相邻计数点之间还有4个计时点没有标

出。打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。则打C点时，纸带运动的速度vC=

m/s（结果保留小数点后两位）。

（3）实验原理。图3为“深究加速度与力的关系〃的实验装置示意图。认为桶和砂所受的重

力等于使小车做匀加速直线运动的合力。实验中平衡了摩擦力后，要求桶和砂的总质量小

比小车质量“小得多,请分析说明这个要求的理由。（）

4.（2021•湖南・高考真题）某实验小组利用图（a）所示装置探究加速度与物体所受合外力

的关系。主要实验步骤如卜.：

（1）用游标卡尺测量垫块厚度力，示数如图（b）所示，h=cm；

（2）接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；

（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；

（4）在•气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数〃和滑块对应的加速度。；

（5）在右支点下增加整块个数（垫块完全相同），重复步骤（4）,记录数据如下表:

n123456

(a/ims-)0.0870.1800.2600.4250.519

根据表中数据在图（c）上描点，绘制图线

a/fm-s-1)

234567n

ffl(c)

如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是m/s?（保留三位有效数字）。

5.（2020・北京•高考真题）在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中，做如下探

究:

（1）为猜想加速度与质量的关系，可利用图1所示装置进行对比实验。两小车放在水平板

上，前端通过钩码牵引，后端各系一条细线，用板擦把两条细线按在桌上，使小车静止。抬

起板擦，小车同时运动，一段时间后按下板擦，小车同时停下。对比两小车的位移，可知加

速度与质量大致成反比。美于实验条件，下列正确的是：（选填选项前的字母

A.小车质量相同，钩码质量不同

B.小车质量不同，钩码质量相同

C.小车质量不同，钩码质量不同

总”细浅板擦

俯视图小车

T\运动方向

A小车

图1

（2）某同学为了定量验证⑴中得到的初步关系，设计实验并得到小车加速度。与质量M的

7组实验数据，如下表所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点，请将余下的一

组数据描在坐标纸上，并作出图像。

次数1234567

a0.G20.5G0.480.400.320.240.15

M/kg0.250.290.330.400.500.711.00

图2

（3）在探究加速度与力的关系实验之前，需要思考如何测”力〃。请在图3中画出小车受力

的示意图。为了简化〃力”的测量，下列说法正确的是：（选填选项前的字母）。

曾

图3

A.使小车沿倾角合适的斜面运动，小车受力可等效为只受绳的拉力

B.若斜面倾角过大，小车所受合力将小于绳的拉力

C.无论小年运动的加速度多大，砂和桶的重力都等于绳的拉力

D.让小车的运动趋近与匀速运动，砂和桶的重力才近似等于绳的拉力

6.（2020・浙江•高考真题）做"探究加速度与力、质量的关系”实验时，图甲是教材中的实验

方案；图乙是拓展方案，其实验操作步骤如下：

（i）挂上托盘和祛码，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；

（ii）取下托盘和诙码，则出其总质量为“7,让小车沿木板下滑，测出加速度公

（iii）改变砧码质量和木板倾角，多次测量，通过作图可得到尸的关系。

①实验获得如图所示的纸带，计数点。、b、c、"、e、/间均有四个点未画出，则在打d点

时小车的速度大小为=m/s（保留两位有效数字）：

abedef

1而1|川1|川1而|1111|1111|1而111|1111|1111向|川1|11|1|111加11|1111|1111|川而1

29303132333435363738,

②需要满足条件〃的方案是（选填“甲〃、"乙〃或“甲和乙〃）；在作。-尸图象时,

把"喀作为产值的是（选填“甲〃、“乙”或"甲和乙”）。

7.（2020•全国•高考真题）一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球力和从如图所示。

一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。

OA

令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球“释放时的高度加=U.59Um,下降•段

距离后的高度/z=0.100m；由加下降至h所用的时间7=0.730s。由此求得小球B加速度的

大小为用m/s2（保留3位有效数字）。

从实验室提供的数据得知，小球力、8的质量分别为100.0g和150.0g,当地重力加速度大

小为g=9.80m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球4加速度的大小为"=m/s2（保

留3位有效数字）。

可以看出，。'与。有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：

8.（2020•浙江•高考真题）在“探究加速度与力、质量的关系〃和用橡皮筋"探究做功与物体

速度变化的关系"实验中

（1）都是通过分析纸带上的点来测量物理量，下列说法正确的是

A.都需要分析打点计时器打下的第一个点B.都不需要分析打点计时器打下的第一个

点

C.一条纸带都只能获得一组数据D.一条纸带都能获得多组数据

（2）如图是两条纸带的一部分，A.B、C、…、G是纸带上标出的计数点，每两个相邻的

计数点之间还有4个打出的点未画出。其中图（填“甲〃或“乙〃）所示的是用橡皮筋“探

究做功与物体速度变化的关系”的实验纸带。“探究加速度与力、质量的关系”实验中，小车

的加速度大小用m/s?（保留2位有效数字）。

（3）在用橡皮筋”探究做功与物体速度变化的关系”实验中，平衡阻力后，小车与橡皮筋组

成的系统在橡皮筋恢复形变前机械能（填"守恒〃或“不守恒〃）。

模拟突破

1.（2022・海南•昌江黎族自治县矿区中学三模）在探究加速度与物体所受合外力和质量间的

关系时，采用如图1所示的实验装置，小车及车中的硅码质量用切表示，盘及盘中的磋码

质量用“表示，小车的加速度可通过小车拖动的纸带由打点计时器打出的点计算得出：

（1）当M与胴的大小关系满足时，才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘

和欣码的重力。

（2）一组同学在先保持盘及盘中的跌码质量一定，探究加速度与质量的关系，以下做法正

确的是___________

A.平衡摩擦力时，应将盘及盘中的祛码用细绳通过定滑轮系在小车.上

B.每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力

C.实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源

D.小车运动的加速度可用天平测出，〃以及小车质量直接用公式。=管求出

（3）在保持小车及车中的祛码质量"一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡

摩擦力时操作不当，两位同学得到的中尸关系分别如图2中C、D所示是小车的加速度，

E是细线作用于小车的拉力）。其原因分别是：C图,D图o

2.（2022•湖南•新宁‘通山实验学校三模）某同学设计了一个验证加速度a与物体所受合力F

及质量〃，关系的实验，图甲为实验装置简图。（交流电的频率为50Hz）

（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/s2o

（计算结果保留二位有效数字）

（2）保持小车的质量不变，改变桶内徒码的质量，某位同学根据实验数据分别作出了加速

度。随合力少的变化图线如图丙所示，图线上部出现了弯曲并偏离原来的直线，其主要原

因是:若从小车中取出祛码放入桶中，并以桶、桶中的祛码、车和车中的祛码

整体为研究对象，图线上部（填"会"或"不会"）弯曲。

3.（2022・上海黄浦•二模）某同学用如图。所示的装置验证加速度与力的关系。

图（a）

（1）为平衡摩擦力，将轨道一端略抬高，给小车一初速度使其在轨道上运动，利用位移传

感器获得小车的速度-时间图像如图近则应适当（选填"增大〃"减小〃）轨道倾

角。平衡摩擦后，操作中要控制（选填"小车〃"钩码”）的质量不变。

AV

图(b)

序号F/Na/ms2

10.140.39

20.190.53

30.240.67

40.250.80

50.340.94

（2）经过正确操作，所测量的拉力与加速度的数据如右表。请在图c。中用“x〃补充完成序

号为4、5的数据描点并做出。-尸图像。

（3）某同学对“将钩码的重力大小视为小车所受拉力的大小〃的做法提出质疑，并开展了如

下研究：他在小车上固定一个力传感器，可直接测得小车所受拉力。测得小车与传感器总质

量为0.486kg,改变钩码质量，多次实验，测得多组钩码重力与小车所受拉力，图4。中的

图线①、②分别为钩码重力、小车所受拉力随钩码质量变化的关系图像。请根据图像，针

对该同学的质疑给出回答，

图（d）

4.（2022•湖南•长郡中学二模）在某次探究加速度与力、质量的关系的实验中，甲、乙、丙、

（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，下列说法正确的是。（填选项字母）

A.四组实验中只有甲需要平衡摩擦力

B.四组实验都需要平衡摩擦力

C.四组实验中只有甲需要满足所挂重物质量小远小于小车的总质量M的条件

D.四组实验都需要满足所挂重物质量〃?远小于小车的总质量M的条件

（2）按甲同学设计装置完成实验，并根据实验得到的数据，画出小车的［图像如图所

示，从图像中可以得出，当小车的质量为0.5kg时，它的加速度为m/s2o

（3）若乙、丙、丁三位同学发现某次测量中力传感器和弹簧测力计读数相同，通过计算得

到小车加速度均为a,则乙、丙、丁实验时所用小车总质量之比为o

5.（2022•天津•耀华中学一模）某同学采用如图甲所示的实验装置探究加速度和力的关系,

其中小车的质量为M，砂和砂桶的总质量为/〃（滑轮光滑），交流电频率为六50Hz。

-

弹打点计时器

4

簧

工带

测1=

力

计

O

疝

甲

（1）本实验中（需要或不需要）满足”?《历；

（2）松开砂桶，小车带动纸带运动，若相邻计数点间还有4个点未画出，纸带如图乙所示,

则小车的加速度用（结果保留三位有效数字）；

（3）改变砂桶内砂了的质量，重复实验，以弹簧测力计示数户为横坐标、小车对应的加速

度。为纵坐标，做出的々F图像如图丙，可知小车的质量"=kgo（结果保留三

位有效数字）。

6.（2022•湖北•荆州中学三模）某研究性学习小组设计了如图甲所示的实验装置，用于“探

究质量一定时，加速度。与物体所受合力/的关系"。某次实验中，测得两物块质量分别为叫、

加2,传感器示数为R打出的纸带如图乙所示，相邻计时点力、B、C,。、£间距依次为

S/、S2、S3、.“，打点计时器打点频率为/，不计滑轮质量及摩擦。

甲

乙

（1）根据实验打出的纸带计算出纸带加速度〃=（用题中物理量字母表示）：

（2）根据图甲所示的试验装置，两物体的质量必须满足叫叫（填“>〃〃<〃或〃=〃）；

（3）实验时，关于实验研究对象的选取下列说法正确的一项是。

A.若以叫为研究对象，朗受到的合力大小应表不为叫g

B.若以町为研究对象，叫受到的合力大小应表示为gw-町g

C.若以修为研究对象，吗受到的合力大小应表示为外g

D.若以再为研究对象，叫受到的合力大小应表示为:尸-“医

7.（2022•河北邯郸•二模）某小组设计了如图所示装置来验证加速度a与物体所受合外力F

的关系。重物A的质量为“，重