专题04探究加速度与力质量的关系顶峰相见2024年高考物理实验培优突破

专题04探究加速度与力、质量的关系1.学会用控制变量法研究物理规律.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法.3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律，【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。(3)作出aF图象和图象，确定其关系。【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。【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aF的图象；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a1/m图象。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时器的纸带匀速运动。(2)不重复平衡摩擦力。(3)实验条件：m＞＞m'。(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△x=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。(3)以a为纵坐标，1/m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成反比。考向一实验原理与实验操作【例题1】在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，采用如图甲所示的装置（g取10m/s2）。（1）除了图中所给器材以及刻度尺、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）（2）实验前平衡摩擦力的做法是：把实验器材安装好，先不挂砝码盘，将小车放在木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器。用垫块把木板一端垫高，接通打点计时器，让小车以一定初速度沿木板向下运动，并不断调节木板的倾斜度，直到打出的纸带点迹间隔（选填“均匀”或“逐渐增加”），说明摩擦力已被平衡。（3）在某次实验中，打出了一条纸带如图乙所示，计时器打点的时间间隔为T，则B点时的速度vB=，小车加速度的大小为a=（结果用T和x1、x2、x3、x4表示）（4）若不断增加砝码的质量，则小车的加速度大小将趋近于某一极限值，此极限值为。【答案】B均匀g【详解】（1）[1]通过打点计时器可以得到计数点之间的时间间隔，所以不需要秒表；需要用天平测量质量。故选B。（2）[2]用垫块把木板一端垫高，接通打点计时器，让小车以一定初速度沿木板向下运动，并不断调节木板的倾斜度，直到打出的纸带点迹间隔均匀，则小车做匀速运动，说明摩擦力已被平衡。（3）[3]根据匀变速直线运动中间时刻速度等于该段过程的平均速度，则B点时的速度为[4]根据逐差法可得小车加速度的大小为（4）[5]设小车的质量为，砝码和砝码盘的总质量为，以小车为对象，根据牛顿第二定律可得以砝码和砝码盘为对象，根据牛顿第二定律可得联立可得可知不断增加砝码的质量，当时，小车的加速度大小将趋近于某一极限值，此极限值为。考向二数据处理与误差分析【例题2】在“探究加速度与力、质量的关系”实验中：（1）某同学将实验装置按图甲所示安装好，不挂细线与砝码盘，轻推小车，打点计时器打出纸带及纸带运动方向如图乙所示，则应将垫块适当（选填“左移”或“右移”）以平衡摩擦力。（2）平衡摩擦力后，实验得到一条纸带，纸带上按时间顺序选取、五个计数点，相邻的两计数点之间还有4个点未画出，如图丙所示。已知打点计时器的打点周期为，则小车加速度大小（结果保留2位小数）。（3）在研究加速度与质量的关系时，砝码和砝码盘的质量为保持不变。小车的总质量为，改变进行多次实验，测得对应的小车加速度大小，作出和的图线，合理的应为。A．

B．C．

D．【答案】右移0.79/0.80/0.81A【详解】（1）[1]由图乙可知纸带向左做加速运动，说明平衡摩擦力过度，应将垫块适当右移以平衡摩擦力。（2）[2]相邻的两计数点之间还有4个点未画出，则相邻计数点间的时间间隔为由逐差法求小车的加速度（3）[3]由牛顿第二定律可得，解得可知图线是过原点的倾斜的直线。故选A。考向三实验拓展与创新【例题3】某同学利用图1所示装置研究“滑块质量一定时，加速度与合外力的关系”。实验步骤如下：（1）将气垫导轨一侧用升降台（图中未画出）垫高，固定弹簧测力计一端，另一端用细线拉住滑块，滑块静止在气垫导轨的某一位置，调整细线与气垫导轨平行，记下弹簧测力计的示数如图2所示，则N。（2）保持滑块质量不变，撤去细线，让滑块由静止开始下滑，设滑块受到的合外力为F，则F=N。某次实验中通过速度传感器得到滑块运动的vt图像如图3所示，可知滑块的加速度为m/s²（结果保留2位有效数字）。（3）改变气垫导轨的倾角，重复上述步骤可测出多组F、a数据，作出a—F图像如图4所示，由图可知该滑块的质量为kg（结果保留2位有效数字）。【答案】2.42.40.560.50【详解】（1）[1]由图可知弹簧测力计的最小刻度为0.2N，示数为2.4N。（2）[2]对滑块受力分析，撤去细线，让滑块由静止开始下滑，滑块受到的合外力即为细线拉力大小，为2.4N。[3]根据vt图像中图线的斜率表示加速度，可得滑块的加速度为（3）[4]根据牛顿第二定律，可得结合图像，有解得1．小华采用了如图（a）所示的装置探究空气阻力与物体运动速度关系。（1）图（b）中所示是（填“A”或“B”）A．电磁打点计时器

B．电火花计时器（2）首先将未安装薄板的小车置于带有定滑轮的木板上，然后将纸带穿过打点计时器与小车相连。平衡摩擦力后进行实验，打出的纸带如图（c）所示，在纸带上标出了5个计数点，相邻两个计数点之间还有4个点未标出。已知打点计时器的打点周期为0.02s，则打下计数点2时小车速度v=m/s，小车加速度a=m/s2。（结果均保留2位小数）（3）保持小车和钩码的质量不变，在小车上安装一薄板。实验近似得到的某时刻起小车vt图像如图（d）所示，由图像可知小车运动过程中受到的阻力大小（填“逐渐变大”、“保持不变”或“逐渐变小”），据此可以得到的实验结论是【答案】B0.440.34逐渐变大小车受到的空气阻力随速度增大而增大【详解】（1）[1]电火花计时器有正负脉冲插座，用的是墨粉纸盘，故图（b）中所示是电火花计时器。故选B。（2）[2]计数点间的时间间隔打下计数点2时小车速度[3]由逐差法，小车加速度（3）[4]设绳的拉力为F，当砝码和砝码的总质量远小于小车和薄板质量时，可认为绳的拉力为F等于砝码和砝码的总重力。由牛顿第二定律有由图像可知，图像斜率逐渐变小，所以加速度逐渐变小。a在变小，说明f在变大。[5]据此可以得到的实验结论是小车受到的空气阻力随速度增大而增大。2．下图为验证牛顿第二定律的实验装置示意图。图中打点计时器的电源频率为的交流电源，打点的时间间隔用表示。在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”。（1）完成下列实验步骤中的空格部分：①补偿小车所受的阻力：撤去小吊盘，调整木板右端的高度，用手轻推小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列的点。（填“均匀”或“不均匀”）②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块（小吊盘和物块的总质量比小车的质量小得多），在小车中放入砝码。③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有点的纸带，在纸带上标出小车中砝码的质量。④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③．⑤在每条纸带上清晰的部分，每5个间隔标注一个计数点。测量相邻计数点的间距…。求出与不同相对应的加速度。⑥以砝码的质量为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上作出关系图线。若加速度与小车和砝码的总质量成反比，则与应成关系（填“线性”或“非线性”）。（2）完成下列的问题：（i）上图为实验过程中的某一条纸带，由此可知小车的加速度（结果保留2位有效数字）。（ii）下图为根据实验测得数据绘制的图像。设图中直线的斜率为，在纵轴上的截距为，若牛顿第二定律成立，则小车受到的拉力为，小车的质量为。【答案】均匀线性0.50【详解】（1）①[1]补偿小车所受的阻力：撤去小吊盘，调整木板右端的高度，用手轻推小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列均匀的点。⑥[2]若加速度与小车和砝码的总质量成反比，即可得则与应成线性关系。（i）[3]可知小车的加速度（ii）[4][5]根据结合图像可知解得3．为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，小明同学设计了如图（a）所示的实验装置，其中为小车的质量，为砂和砂桶的总质量，为滑轮的质量，力传感器可测出轻绳中的拉力大小。（1）下列关于实验操作说法正确的是A．需要用天平测砂和砂桶的总质量m

B．需要保证细线与木板平行C．需要先释放小车，再接通电源

D．需要平衡小车所受滑动摩擦力（2）为了完成该实验（填“需要”或“不需要”）使砂和砂桶的总质量远小于小车的质量。（3）某次实验得到如图（b）所示的纸带，已知打点计时器使用的交流电源频率为50Hz，相邻两计数点间还有四个点未画出，则C点速度为m/s，小车运动的加速度大小为（结果均保留三位有效数字）；（4）由实验得到小车加速度a与力传感器示数F的关系如图（c）所示，图线未过坐标原点的原因是，由图可知小车的质量为。【答案】BD不需要0.7222.40小车未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足0.5【详解】（1）[1]A．因为有力传感器测量小车受的拉力，则不需要用天平测砂和砂桶的总质量m，选项A错误；B．需要保证细线与木板平行，这样细绳的拉力才等于小车受到的合力，选项B正确；C．需要先接通电源，再释放小车，选项C错误；D．实验中需要平衡小车所受滑动摩擦力，选项D正确。故选BD。（2）[2]因为有力传感器测量小车受的拉力，则实验不需要使砂和砂桶的总质量远小于小车的质量。（3）[3]相邻两计数点间还有四个点未画出，则T=0.1s，C点速度为[4]小车运动的加速度大小为（4）[5]由图像可知，当力F增加到一定值时小车才开始有加速度，可知图线未过坐标原点的原因是小车未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；[6]根据可得由图可知小车的质量为4．如图，为验证牛顿第二定律的实验装置示意图，连接在小车后面的纸带穿过电火花打点计时器，小车和挂在竖直面内的拉力传感器，用一条柔软的轻绳通过光滑的定滑轮和动滑轮连接起来，拉力传感器是一种将物理信号转变为可测量的电信号装置，用于测小车受到拉力的大小。则：（1）在安装实验器材时，要调整定滑轮的高度，使拴小车的轻绳与木板平行。这样做的目的是（选填字母代号）。A．防止打点计时器在纸带上打出的点痕不清晰B．保证小车最终能够实现匀速直线运动C．在平衡摩擦力后使轻绳拉力等于小车受到的合力D．防止小车在木板上的运动过程中发生抖动（2）实验中（选填“需要”或“不需要”）满足所挂钩码质量m远小于小车质量M。（3）第一实验小组在实验中得到了一条纸带，用毫米刻度尺测量并在纸带上标出了这部分的长度，相邻两计数点间的距离如图所示，相邻两计数点间还有4个计时点未标出，已知打点计时器使用的低压交流电源的频率为50Hz，根据图中数据计算出在纸带上打下B点时的速度为m/s，纸带的加速度大小为（计算结果均保留两位有效数字）。（4）第二实验小组根据测量数据作出的图像，如图所示，该组同学做实验时存在的问题是。【答案】C不需要1.01.5没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够【详解】（1）[1]在安装实验器材时，要调整定滑轮的高度，使拴小车的轻绳与木板平行。这样做的目的是：在平衡摩擦力后使轻绳拉力等于小车受到的合力。故选C。（2）[2]根据装置图可知，细线拉力可通过力传感器测得，所以实验中不需要满足所挂钩码质量m远小于小车质量M。（3）[3]相邻两计数点间还有4个计时点未标出，可知相邻计数点的时间间隔为则在纸带上打下B点时的速度为[4]根据逐差法可得，可得加速度大小为（4）[5]根据图像可知，当拉力达到一定数值时，才有加速度，所以该组同学做实验