第3章　运动和力的关系 第6讲　实验4：探究加速度与物体受力、物体质量的关系--2027全国版高考物理第一轮(含答案)

2027全国版高考物理第一轮
第6讲　实验4:探究加速度与物体受力、物体质量的关系
1.(12分)(2025山东卷)某小组采用如图甲所示的装置验证牛顿第二定律,部分实验步骤如下:
甲
(1)将两光电门安装在长直轨道上,选择宽度为d的遮光片固定在小车上,调整轨道倾角,用跨过定滑轮的细线将小车与托盘及砝码相连。选用d=　　　　(选填“5.00”或“1.00”) cm的遮光片,可以较准确地测量遮光片运动到光电门时小车的瞬时速度。
(2)将小车自轨道右端由静止释放,从数字毫秒计分别读取遮光片经过光电门1、光电门2时的速度v1=0.40 m/s、v2=0.81 m/s,以及从遮光片开始遮住光电门1到开始遮住光电门2的时间t=1.00 s,计算小车的加速度a=　　　　 m/s2(结果保留2位有效数字)。
(3)将托盘及砝码的重力视为小车受到的合力F,改变砝码质量,重复上述步骤,根据数据拟合出a-F图像,如图乙所示。若要得到一条过原点的直线,实验中应　　　　(选填“增大”或“减小”)轨道的倾角。
乙
(4)图乙中直线斜率的单位为　　　　(选填“kg”或“kg-1”)。
2.(10分)(2025安徽卷)某实验小组通过实验探究加速度与力、质量的关系。
(1)利用图甲装置进行实验,要平衡小车受到的阻力。平衡阻力的方法是:调整轨道的倾斜度,使小车　　　　。(选填正确答案标号)
甲
a.能在轨道上保持静止
b.受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动
c.不受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动
(2)利用图乙装置进行实验,箱体的水平底板上安装有力传感器和加速度传感器,将物体置于力传感器上,箱体沿竖直方向运动。利用传感器测得物体受到的支持力FN和物体的加速度a,并将数据实时传送到计算机。
乙
①图丙是根据某次实验采集的数据生成的FN和a随时间t变化的散点图,以竖直向上为正方向。t=4 s时,物体处于　　　　(选填“超重”或“失重”)状态;以FN为横轴、a为纵轴,根据实验数据拟合得到的a-FN图像为图丁中的图线 a。
②若将物体质量增大一倍,重新进行实验,其a-FN图像为图丁中的图线　　　　。(选填“b”“c”或“d”)
丙
丁
3.(12分)(2025山东临沂三模)某实验小组用图甲所示的装置探究“加速度与力和质量”的关系,打点计时器使用的交变电流频率为50 Hz,纸带每5个点取一个计数点,A、B、C、D、E为选取的连续5个计数点。已知重物质量为m,重力加速度为g,滑轮重力及绳与滑轮间的摩擦不计。
甲
乙
(1)本实验中,重物的质量　　　　(选填“需要”或“不需要”)远小于小车的质量。
(2)依据图乙纸带计算,小车做匀加速运动的加速度大小为a=　　　　 m/s2(保留两位有效数字)。
(3)若不计小车与水平面间的摩擦,则实验中弹簧测力计读数应为F=　　　　(用m、a、g表示)。
(4)由于绳与滑轮间存在摩擦或存在空气阻力,实验中发现F的计算值总是略　　　　(选填“大于”或“小于”)弹簧测力计的读数。
4.(16分)用如图甲所示的装置做探究小车的加速度与小车受力、小车质量的关系的实验。
甲
(1)除了图中所给器材以及交流电源和导线外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是　　　　(选填正确选项的字母)。
A.秒表
B.天平(含砝码)
C.弹簧测力计
D.刻度尺
(2)实验前平衡摩擦力的做法是:把实验器材安装好,先不挂砂桶,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,直到小车拖动纸带沿木板做　　　　运动。
(3)为使砂桶及砂的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力,需满足的条件是砂桶及砂的总质量　　　　(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)小车的总质量。
(4)实验中打出的一条纸带的一部分如图乙所示。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个计时点没有标出。打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上。则打点计时器打B点时,小车的速度vB=　　　　 m/s。多测几个点的速度作出v-t图像,就可以算出小车的加速度。
乙
(5)为研究加速度和力的关系,要保证　　　　的总质量不变,改变砂桶内砂的质量,重复做几次实验,通过实验数据来研究加速度和力的关系。
(6)在研究加速度与质量的关系时,要保证砂桶及砂的质量不变。若砂桶及砂的质量m与小车的总质量m车间的关系不满足第(3)问中的条件,由实验数据作出a和的图线,则图线应如图中的　　　　所示(选填正确选项的字母)。
答案：
1.答案 (1)1.00　(2)0.41　(3)增大　(4)kg-1
解析 (1)遮光片宽度越小,其通过光电门的平均速度越接近瞬时速度,故选用d=1.00 cm的遮光片。
(2)由运动学公式可得a==0.41 m/s2。
(3)由图乙可知,当a=0时,F≠0,说明该实验没有完全平衡阻力,故应该增大轨道的倾角。
(4)斜率的单位=kg-1。
2.答案 (1)c　(2)①失重　②d
解析 (1)平衡阻力的方法是:调整轨道的倾斜度,使小车不受牵引时,能拖动纸带沿轨道做匀速运动,故选c。
(2)①根据图丙可知,t=4 s时,加速度方向竖直向下,故物体处于失重状态;②根据牛顿第二定律,有FN-mg=ma,整理可得物体加速度a=·FN-g,可知图像的斜率为,故将物体质量增大一倍,图像斜率变小,而纵轴截距不变,其a-FN图像为图丁中的图线d。
3.答案 (1)不需要　(2)2.0　(3)　(4)大于
解析 (1)该实验绳子拉力可以利用弹簧测力计直接测量得到,而不是将重物的重力近似等于绳子的拉力,故该实验,重物的质量不需要远小于小车的质量。
(2)小车的加速度a==2.0 m/s2。
(3)由题意得,弹簧测力计的示数等于绳子的拉力,且小车加速度为重物加速度的2倍,则有mg-2F=m,则F=。
(4)由于绳与滑轮间存在摩擦或存在空气阻力,由牛顿第二定律有mg-2F'-Ff=m,则F'=,故F的计算值总是略大于弹簧测力计的读数。
4.答案 (1)BD　(2)匀速直线　(3)远小于　(4)0.44　(5)小车　(6)C
解析 (1)需要用天平测量质量,打点计时器可以计时,打出的纸带需测量长度求加速度,所以还需要天平和刻度尺,A、C错误,B、D正确。
(2)平衡摩擦力是使小车拖动纸带在木板上做匀速直线运动。
(3)为了使砂桶及砂的重力在数值上近似等于小车受到的拉力,需要砂桶及砂的总质量远小于小车的总质量。
(4)由某段时间中间时刻的瞬时速度等于该段时间运动过程的平均速度,可得vB= m/s=0.44 m/s。
(5)探究加速度a与外力F的关系时,需要保持小车的总质量不变。
(6)在研究加速度与质量的关系时,由于平衡了摩擦力,所以图像过原点,分别对小车和砂桶及砂受力分析,由牛顿第二定律可得mg-FT=ma,FT=m车a,联立解得a=,因为砂桶及砂的质量不变,所以由实验数据作出的a-的图线不会发生弯曲,故C正确。
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