4.2实验：探究加速度与力、质量的关系基础达标（含解析）人教版（2019）高中物理必修第一册 Word版含答案

4.2实验：探究加速度与力、质量的关系基础达标（含解析）
一、单选题
1.小明同学为了探究物体的加速度a与质量m、受到的外力F之间的关系，设计了这样的实验思路：先保持m不变，寻找a与F的关系，再保持F不变，寻找a与m的关系，请问他这样做采用了哪种科学方法？
A.?理想模型法???????????????????????????B.?控制变量法???????????????????????????C.?等效法???????????????????????????D.?对称法
2.某同学通过以下步骤测出了从一定高度落下的排球对地面的冲击力：将一张白纸铺在水平地面上，把排球在水里弄湿，然后让排球从规定的高度自由落下，并在白纸上留下球的水印．再将印有水印的白纸铺在台秤上，将球放在纸上的水印中心，缓慢地向下压球，使排球与纸接触部分逐渐发生形变直至刚好遮住水印，记下此时台秤的示数即为冲击力的最大值．下列物理学习或研究中用到的方法与该同学的方法相同的是
A.?建立“合力与分力”的概念????????????????????????????????B.?建立“点电荷”的概念
C.?建立“瞬时速度”的概念????????????????????????????????????D.?研究加速度与合力、质量的关系
3.关于高中物理实验中用到的思想方法，下列说法不正确的是（??
）
A.?图甲为著名的伽利略斜面实验，应用了理想实验的方法
B.?图乙为研究加速度a和外力F、质量m的关系实验，主要应用了控制变量的方法
C.?图丙为探究合力与分力的关系实验，主要应用了极限的思想方法
D.?图丁为卡文迪许通过扭秤测量引力常量的实验，应用了放大的思想方法
4.下列关于物理学思想方法的叙述错误的是（??
）
A.?探究加速度与力和质量关系的实验运用了控制变量法
B.?玻璃瓶内装满水，用穿有透明细管的橡皮泥封口。手捏玻璃瓶，细管内液面高度变化，说明玻璃瓶发生形变，该实验采用放大的思想
C.?力学中将物体看成质点运用了理想化模型法
D.?当物体的运动时间Δt趋近于0时，Δt时间内的平均速度可看成瞬时速度运用了等效替代的思想
5.图（a）为“利用DIS研究小车加速度与力的关系”的实验装置，阻力忽略不计，得到a-F的关系如图（b）所示。则实验过程中需满足的条件为（??
）
A.?小车质量较大且不变???????????????????????????????????????????B.?小车质量较小且不变
C.?钩码质量较大且不变???????????????????????????????????????????D.?钩码质量较小且不变
6.某小组利用如图所示的实验装置做“探究加速度与力、物体质量关系”的实验．实验中平衡摩擦力后，他们还调节木板上定滑轮，使牵引小车的细线与木板平行，这样做的目的是（??
）
A.?避免小车在运动过程中发生抖动?????????????????????????B.?使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C.?保证小车最终能够做匀速直线运动??????????????????????D.?使细线拉力等于小车受到的合力
7.“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。
实验时小刚同学将长木板平放在水平桌面上，并利用安装在小车上的拉力传感器测出细线的拉力，保持小车的质量不变，改变钩码的个数，得到多组数据，从而确定小车加速度a与细线拉力F的关系。图乙中符合小刚的实验结果的是（??
）
A.???????????????????????????????????????????B.?
C.????????????????????????????????????????D.?
8.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下列做法中正确的是（?
）
A.?实验时，先接通打点计时器电源，再放开小车
B.?平衡摩擦力时，应将装砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上
C.?改变小车的质量再次进行实验时，需要重新平衡摩擦力
D.?砝码及砝码盘所受重力就是小车做加速运动的拉力
9.利用图示装置“探究加速度与力、质量的关系”，下列说法中正确的是（　　）
A.?实验时，应先接通打点计时器的电源，再放开小车?????????B.?平衡摩擦力时，应将装砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上
C.?改变小车的质量再次进行实验时，需要重新平衡摩擦力?????????D.?小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出
10.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，采用如图所示的装置．下列说法中正确的是（??
）
A.?垫高长木板一端，调节倾角，直到小车在托盘和砝码的拉动下做匀速直线运动，以平衡小车运动中受到的摩擦力
B.?在探究加速度与外力的关系时，应该改变小车的质量
C.?在探究加速度a与拉力F的关系时，为了直观判断二者间的关系，应作出a﹣1/F图象
D.?当小车的质量远大于托盘和砝码的总质量时，可以近似认为细线对小车的拉力大小等于托盘和砝码的总重力大小
11.某学生做“探究加速度与力、质量的关系”的实验，在平衡摩擦力时．把长木板的一端垫得过高，使得倾角偏大．他所得到的a﹣F关系可用下列哪个图象表示？（图中a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力）（　　）
A.???????B.???????C.???????D.?
12.某同学研究“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与小车受力的关系”的实验，根据数据画出a﹣F图象如图所示，该同学在实验中出现的问题可能是（　　）
A.?摩擦力没有平衡??????????????????????????????????????????????????B.?长木板的倾斜角过大
C.?小车的质量发生了变化???????????????????????????????????????D.?绳子拉力方向没有与长木板平行
13.某同学采用如图1所示的装置探究物体的加速度与所受合力的关系．用砂桶和砂的重力充当小车所受合力F；通过分析打点计时器打出的纸带，测量加速度a．分别以合力F
和加速度a作为横轴和纵轴，建立坐标系．根据实验中得到的数据描出如图2所示的点迹，结果跟教材中的结论不完全一致．该同学列举产生这种结果的可能原因如下：（1）在平衡摩擦力时将木板右端垫得过高；（2）没有平衡摩擦力或者在平衡摩擦力时将木板右端垫得过低；（3）砂桶和砂的质量过大，不满足砂桶和砂的质量远小于小车质量的实验条件；（4）测量小车的质量或者加速度时的偶然误差过大．
通过进一步分析，你认为比较合理的原因可能是
（??
）
A.?（1）和（4）?????????????????B.?（2）和（3）?????????????????C.?（1）和（3）?????????????????D.?（2）和（4）
14.关于“探究加速度与力、质量的关系”实验，下列说法中正确的是（?
）
A.?本实验采用的方法是控制变量法
B.?探究加速度与质量的关系时，应该改变拉力的大小
C.?探究加速度与力的关系时，作a﹣F图象应该用线段依次将各点连接起来
D.?探究加速度与质量的关系时，为了直观判断二者间的关系，应作出a﹣M图象
15.关于“探究加速度与力、质量的关系”的实验操作，下列说法中符合实际的是（??
）
A.?通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究，能归纳出加速度、力、质量三者之间的关系
B.?通过保持小车质量不变，只改变小车的拉力，就可以归纳出加速度、力、质量三者之间的关系
C.?通过保持小车受力不变，只改变小车的质量，就可以得出加速度、力、质量三者之间的关系
D.?先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系，再保持小车受力不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度、力、质量三者之间的关系
16.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，关于平衡摩擦力的说法中不正确的是（???
）
A.?“平衡摩擦力”的本质就是想法让小车受到的摩擦力为零
B.?“平衡摩擦力”的本质就是使小车所受的重力在沿斜面方向的分力与所受到的摩擦阻力相平衡
C.?“平衡摩擦力”的目的就是要使小车所受的合力等于所挂砝码通过细绳对小车施加的拉力
D.?“平衡摩擦力”是否成功，可由小车拖动后，由打点计时器打出的纸带上的点迹间距是否均匀而确定
二、实验探究题
17.在用如图所示的装置“验证牛顿第二定律”的实验中，保持小车质量一定时，验证小车加速度α与合力F的关系。
（1）为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，以下操作正确的是______；
A.调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行
B.在调整长木板的倾斜度平衡摩擦力时，应当将砝码和砝码盘通过细线挂在小车上
（2）某同学得到了如图所示的一条纸带，已知打点计时器的工作频率为50Hz，由此得到小车加速度的大小a=________m/s2（结果保留三位有效数字）；
（3）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，由此造成系统误差。设拉力的真实值为
，小车的质重为M，为了使
，应当满足的条件是
________。
18.在“探究加速度与力、质量的关系”时，某班A小组同学按教材中的实验方案组装了一套实验装置如图甲所示，B小组同学自己设计了另一套实验装置如图乙所示。其中B小组同学将拉力传感器测出的拉力F直接认为等于小车所受的合力。
（1）为了让细线的拉力等于小车所受的合力，A小组同学将木板右侧垫高以补偿小车运动过程中所受的阻力．你认为B小组同学是否应将木板右侧垫高以补偿小车运动过程中所受的阻力：________（填“是”、“否”或“无影响”）。
（2）为了让小盘和重物所受的重力等于细线的拉力，A小组同学让小盘和重物的总质量m远小于小车的总质量M．你认为B小组同学是否必须让小盘和重物的总质量m远小于小车的总质量
________（填“是”或“否”）。
（3）B小组同学通过对另一条清晰纸带的分析，在
图像中描出了一些点，如图丙所示．则小车运动的加速度大小
________
（结果保留两位有效数字）。
19.图1为“验证加速度与质量关系”的实验装置，图2为同时释放小车甲、乙后打出的两条纸带（相邻计数点间均有4个点并未画出）。忽略绳子的质量以及滑轮与绳子间的摩擦。
（1）测量得到各相邻计数点间的距离如下表所示（单位：cm）：
S1（S1′）
S2（S2′）
S3（S3′）
S4（S4′）
S5（S5′）
S6（S6′）
纸带甲
3.13
4.38
5.63
6.87
8.13
9.37
纸带乙
3.50
4.49
5.51
6.49
7.51
8.51
可以判断小车________（填“甲”或“乙”）的加速度较大。请通过定量分析，说明你的判断依据：________。
（2）测得甲、乙两车质量分别为M1、M2
，
加速度分别为a1、a2
，
若在误差允许范围内满足________（用a1、a2、M1、M2表示），则验证了加速度与质量的关系。
（3）欲得到（2）中的实验结论，下列操作必要的有___________。
A.连接小车的细绳与桌面平行
B.平衡两小车和桌面间的摩擦力
C.用天平测量动滑轮和钩码的总质量
答案解析
1.【答案】
B
【解析】【分析】该实验是探究加速度与力、质量的三者关系，每一次只改变其中的某一个因素，而控制另一个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。
故选B
【点评】熟悉掌握物理学的各种研究方法，有利于我们对物理规律的理解和应用。
2.【答案】
A
【解析】【分析】A、合力和分力是等效的，它们是等效替代的关系，所以A正确．
B、点电荷是一种理想化的模型，是采用的理想化的方法，所以B错误．
C、瞬时速度是把很短的短时间内的物体的平均速度近似的认为是瞬时速度，是采用的极限的方法，所以C错误．
D、研究加速度与合力、质量的关系的时候，是控制其中的一个量不变，从而得到其他两个物理量的关系，是采用的控制变量的方法，所以D错误．
【点评】在物理学中为了研究问题方便，经常采用很多的方法来分析问题，对于常用的物理方法一定要知道．
3.【答案】
C
【解析】伽利略斜面实验间接推出力不是维持物体运动的原因，A说法正确；图中是采用控制变量法研究加速度a和外力F、质量m的关系实验，B说法正确；探究合力与分力的关系实验采用的是等效思想，C说法错误；卡文迪许通过扭秤实验测万有引力常量，采用是的放大思想方法，D说法正确．
故答案为：C
物理学中用到的试验方法有很多，质点和点电荷是同一种思想方法，加速度、电场强度、电势都是采取比值法定义的物理量，重心、合力和分力、总电阻都体现了等效替换的思想，结合选项分析即可。
4.【答案】
D
【解析】A．探究加速度与力和质量关系的实验过程中需要控制合外力恒定，研究加速度和质量的关系，控制质量恒定，研究加速度和合外力的关系，故用到了控制变量法，A正确，不符合题意；
B．玻璃瓶内装满水，用穿有透明细管的橡皮泥封口，手捏玻璃瓶，细管内液面高度变化，说明玻璃瓶发生形变。该实验采用放大的思想，B正确，不符合题意；
C．质点是将物体简化为一个有质量的点，在现实中是不存在的，故属于理想模型，C正确，不符合题意；
D．为研究某一时刻或某一位置时的速度，我们采用了取时间非常小，即让时间趋向无穷小时的平均速度作为瞬时速度，即采用了极限思维法，D错误，符合题意；
故答案为：D。
当物体运动时间趋近于0时，平均速度可以看成瞬时速度是利用了极限思维法；探究牛顿第二定律使用了控制变量法；利用细管液面高度变化体现玻璃瓶的形变使用了放大的思想。
5.【答案】
A
【解析】研究加速度a和合力F的关系时，要保证小车的质量M不变；为了使得钩码的重力等于小车的拉力，则要求小车的质量远大于钩码的质量，即小车的质量较大且不变。
故答案为：A。
研究加速度和外力的关系要保持小车质量不变，钩码质量较小。
6.【答案】
D
【解析】使牵引小车的细绳与木板平行．这样做的目的是可在平衡摩擦力后使用细绳拉力等于小车受的合力．
故答案为：D。
【分析】绳子的方向和木板平行是为了绳子的拉力作为小车的合力。
7.【答案】
B
【解析】因小刚没有平衡摩擦力，只有拉力大于摩擦力时，物体才会产生加速度，图象与横坐标有交点，故B符合题意。
故答案为：B。
【分析】在进行“探究加速度与力、质量的关系”实验之前，需进行平衡摩擦力操作，若事先没有进行平衡摩擦力操作，则只有拉力大于摩擦力时，物体才会产生加速度。
8.【答案】
A
【解析】实验时，应先接通电源，再放开小车。由于小车运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于采集和处理数据，同时要求开始小车要靠近打点计时器，故A符合题意；平衡摩擦力时，不要悬挂砝码盘，但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻推动小车，使小车沿木板运动，通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动，故B不符合题意；每次改变小车的质量时，小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消，不需要重新平衡摩擦力，故C不符合题意；当砝码及砝码盘的总质量远小于小车的质量时，我们才可以认为小车的合力大小等于砝码及砝码盘的重力大小，故D不符合题意。
故答案为：A。
【分析】实验前中，首先需要平衡摩擦力，平衡摩擦力时，不要悬挂砝码盘，但小车应连着纸带且接通电源；然后在实验中，需要先接通电源，再放开小车，改变小车的质量时，小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消，不需要重新平衡摩擦力；当砝码及砝码盘的总质量大于于小车的质量时，我们不能认为小车的合力大小等于砝码及砝码盘的重力大小，只有当砝码及砝码盘的总质量远小于小车的质量时才可以认为小车的合力大小等于砝码及砝码盘的重力大小。
9.【答案】
A
【解析】解：A、实验时应先接通电源然后再放开小车，A符合题意．
B、在该实验中，我们认为绳子的拉力就等于小车所受的合外力，故在平衡摩擦力时，细绳的另一端不能悬挂装砝码的砝码盘，B不符合题意；
C、由于平衡摩擦力之后有Mgsinθ=μMgcosθ，故tanθ=μ．所以无论小车的质量是否改变，小车所受的滑动摩擦力都等于小车的重力沿斜面的分力，改变小车质量时不需要重新平衡摩擦力，C不符合题意．
D、小车的加速度应根据打点计时器打出的纸带求出，不能由牛顿第二定律求出，D不符合题意．
故答案为：A．
【分析】探究加速度与拉力的关系实验时，要平衡摩擦力，平衡摩擦力时，要求小车在无动力的情况下平衡摩擦力，不需要挂任何东西，小车的加速度应根据打点计时器打出的纸带求出，平衡摩擦力时，是重力沿木板方向的分力等于摩擦力，只需要平衡一次就可以，操作过程是先接通打点计时器的电源，再放开小车。
10.【答案】
D
【解析】解：A、做该实验需要平衡摩擦力，所以在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块的位置，让小车做匀速直线运动，托盘和砝码不能挂在小车上，故A错误；
B、在探究加速度与外力的关系时，应该保持小车的质量不变，故B错误；
C、在探究加速度a与拉力F的关系时，为了直观地判断两者间的关系，应作出a﹣F图象，故C错误；
D、当托盘和砝码的总质量远小于小车的质量时，才能近似认为细线对小车的拉力大小等于托盘和砝码的总重力大小，故D正确；
故选：D
【分析】探究加速度与力、质量的关系实验中，需要应用控制变量法；
常用图象法处理实验数据，图象为直线时最直观，最简单；
只有当托盘和砝码的质量远小于小车质量时，才可以近似认为细线对小车的拉力等于托盘与砝码的重力．
11.【答案】
C
【解析】A、图象过原点，恰好平衡摩擦力，木板高度合适，故A错误；B、在拉力较大时，图象发生弯曲，这是由于小车质量没有远大于砂桶质量造成的，故B错误；C、a﹣F图象在a轴上有截距，是由过平衡摩擦力造成的，平衡摩擦力时木板垫的过高，故C正确；D、图象在F轴上有截距，没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，故D错误；
故选：C．
【分析】在探究加速度与力、质量的关系时，应平衡摩擦力，平衡摩擦力时如果木板垫得过高，平衡摩擦力过度，小车受到的合力大于拉力，a﹣F图象在a轴上有截距；如果没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，小车受到的合力小于拉力，a﹣F图象在F轴上有截距．
12.【答案】
B
【解析】从图象可知在拉力F=0时物体的加速度不为0，即合外力不为0，图象纵轴的截距大于0，说明在无拉力的情况下物体的加速度大于0，即在平衡摩擦力时，长木板倾角过大（平衡摩擦力过度）．故B正确，ACD错误；
故选：B
【分析】根据图象的特点得出拉力F=0时物体的加速度不为0，再运用牛顿第二定律解答．
13.【答案】
C
【解析】解：根据实验中得到的数据描出如图2所示的点迹，1、图线不经过原点，当拉力为零时，加速度不为零，知平衡摩擦力过度，即长木板的末端抬得过高了．故（1）正确，（2）错误；2、曲线上部出现弯曲现象，随着F的增大，即砂和砂桶质量的增大，不在满足砂和砂桶远小于小车的质量，因此曲线上部出现弯曲现象．故（3）正确，（4）错误．
故选：C．
【分析】探究物体的加速度与所受合力的关系的实验，运用控制变量法探究加速度与力和力的关系．根据牛顿第二定律分析“将砂桶和砂的重力近似看作小车的牵引力”的条件．根据原理分析图线不经过原点和曲线上部出现弯曲现象的原因．
14.【答案】
A
【解析】解：A、本实验研究加速度与质量、力之间的关系，所以采用的方法是控制变量法，故A正确．
B、探究加速度与质量的关系时，应该控制力不变，故B错误．
C、探究加速度与力的关系时，作a﹣F图象应该将点拟合成一条倾斜的直线．故C错误．
D、在研究两个变量之间的关系时，为了直观判断二者间的关系，应作出直线图形．探究加速度与质量的关系时，为了直观判断二者间的关系，应作出a﹣
?图象．故D错误．
故选A．
【分析】了解该实验的实验原理．能够运用数学图象处理物理数据，找出变量之间的关系．
15.【答案】
D
【解析】解：在“探究加速度与力、质量”的实验操作中，采用了“控制变量法”，即先保持一个变量不变，看另外两个变量之间的关系，具体操作是：先不改变小车质量，研究加速度与力的关系；再不改变小车受力，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度、力、质量三者间的关系，故ABC错误，D正确．
故选：D．
【分析】该实验中变量比较多，因此在进行探究时，采用“控制变量法”即先保持一个变量不变，看另外两个变量之间的关系．
16.【答案】
A
【解析】【分析】“平衡摩擦力”的本质就是使小车所受的重力在沿斜面方向的分力与所受到的摩擦阻力相平衡，A错；B对；“平衡摩擦力”的目的就是要使小车所受的合力等于所挂砝码通过细绳对小车施加的拉力，CD对；故选A
【点评】本题难度较小，掌握本实验的实验原理和实验步骤，理解平衡摩擦力的方法和目的是关键
17.【答案】
（1）A
（2）1.50
（3）
【解析】(1)为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，
需要平衡摩擦力，
平衡摩擦力时应当将穿过打点计时器的纸带连在小车上，
调整长木板的倾斜度，
让小车拖着纸带做匀速直线运动，
同时要调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行，
A符合题意，
B不符合题意。
故答案为：A。
(2)由于两计数点间还有1个点，故打点周期为0.04s，纸带可知
，
，
由
得
(3)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，由此造成的误差是系统误差，对小车，根据牛顿第二定律得
对整体，根据牛顿第二定律得
且
解得
（1）为了使绳子的拉力等于小车的合力需要平衡摩擦力；平衡摩擦力时不需要挂钩码；
（2）利用逐差法可以求出加速度的大小；
（3）利用牛顿第二定律结合误差的范围可以求出质量的比值范围。
18.【答案】
（1）是
（2）否
（3）4.8
【解析】(1)为使细线上的拉力等于小车所受的合力，两个小组都要平衡摩擦力；
(2)A小组中要使小盘和重物受到的重力等于小车所受的合力，必须满足小盘和重物的总质量远小于小车的质量，而B小组中细线上的拉力是用拉力传感器直接测出的，不需要满足小盘和重物的总质量远小于小车的质量；
(3)将题图丙中的点连成直线，如图所示，由匀变速直线运动规律可知
变形后得
所以由
图像的斜率可求得
（1）为了使拉力等于小车受到的合力两个实验都需要平衡摩擦力；
（2）B小组有力传感器不需要满足质量要求；
（3）利用图像斜率结合匀变速的位移公式可以求出加速度的大小。
19.【答案】
（1）甲；根据加速度
可知，
大的则加速度大，纸带甲相等时间内的位移差约为
，而乙纸带为
，故甲纸带的加速度更大。
（2）
（3）A,B
【解析】(1)由图表可知，甲的纸带上两点相差距离差
大于乙，故甲的加速度较大；根据加速度
可知，
大的则加速度大，纸带甲相等时间内的位移差约为
，而乙纸带为
，故甲纸带的加速度更大；
(2)绳子两边受力相等，由牛顿第二定律可得
，故
(3)实验中需要
细绳与桌面平行保证两边受到的外力等于钩码的重力，并且平衡摩擦力保证两边所受外力相等，所以选择AB；
（1）利用纸带上相邻间隔的差值可以比较小车的加速度大小；利用邻差公式可以比较小车加速度的大小；
（2）利用绳子的拉力相等结合牛顿第二定律可以判别加速度和质量的表达式；
（3）实验不需要测量动滑轮和钩码的质量，只需要平衡摩擦力。