2024年高考物理实验突破训练：探究加速度与力、质量的关系原卷版

专题04探究加速度与力、质量的关系

考纲解读

1.学会用控制变量法研究物理规律.

2.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法.

3.3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律,

实验装置

【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。

I

(3)作出a-F图象和"一蓝图象，确定其关系。

【实验器材】

小车、硬码、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：用天平测量小盘和碳码的质量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，改变磋码和小盘的质量丑，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；

⑤保持祛码和小盘的质量不变，改变小车质量m,重复步骤①和③，作a-1/m图象。

规律方法

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'o

(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：本实验用小盘和磋码的总重力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碳码的总重力。

(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Ax=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。

考向指导

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)。

甲

（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（含破码）

（2）实验前平衡摩擦力的做法是：把实验器材安装好，先不挂硬码盘，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5点时的

速度v二，小车加速度的大小为（结果用T和与、x,、均表示）

D-------------------------------------------------------------1ZJ4

（4）若不断增加祛码的质量，则小车的加速度大小将趋近于某一极限值，此极限值

为o

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，不挂细线与破码盘，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0、A、B、C、。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0.02s,

则小车加速度大小m/s2（结果保留2位小数）。

乙

（3）在研究加速度与质量的关系时,跌码和磋码盘的质量为机保持不变。小车的总质量为M,

改变M进行多次实验，测得对应的小车加速度大小。，作出。和」一的图线，合理的应

M+m

B.

D.

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

数歹如图2所示，则尸=N。

00-------------------------------

（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凡则

F=N。某次实验中通过速度传感器得到滑块运动的V-/图像如图3所示，可知滑块的

加速度为向铲（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尸、。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）。

典题精练

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

时小车速度片m/s,小车加速度a=m/s2o（结果均保留2位小数）

单位：cm

0i234

5^8.05——>

<--------------12.59---------

-----------------------17.46

图（0

（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v"

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

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50Hz的交流

电源，打点的时间间隔用T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），

在小车中放入祛码。

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碳码的质量mo

④按住小车，改变小车中祛码的质量，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S,S…

12

求出与不同相相对应的加速度"O

⑥以跌码的质量相为横坐标，2为纵坐标，在坐标纸上作出L-W关系图线。若加速度与小车

aa

和祛码的总质量成反比，则!与加应成关系（填“线性”或“非线性”）。

a

（2）完成下列的问题：

ABCDE

"2.4Q'卜2.89”卜3.393.90‘I单位："

（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。=m/s2（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3在纵轴上的截距为b,

若牛顿第二定律成立，则小车受到的拉力为，小车的质量为。

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M为小车的质量，机为砂和砂桶的总质量，机为滑轮的质量，力传感器可测出轻绳中的

0

（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机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。点速度为m/s,小车运动的加速度大小为

m/s2（结果均保留三位有效数字）；

4.0------------

单位：cm

2

0(b)

（4）由实验得到小车加速度。与力传感器示数尸的关系如图（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kg。

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

拉

力电火花打

传

感

器

木板

（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”）满足所挂钩码质量机远小于小车质量又。

（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5