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创新01 实验目的拓展（一）
同一组实验装置，可以实现完成多种实验目的。在高考中通过学生熟悉的实验装置，
完成与教材中不同的实验探究是创新实验考查的一种形式。
教材中利用如图所示的实验装置，完成“探究加速度与力、质量的关系”的实验。
将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引下运动。为了
保证小车受到的拉力等于小车受到的合外力，需要平衡摩擦力。为了保证小车受到的拉力
等于槽码受到的重力，需要槽码的质量远小于小车的质量。
探究加速度与力的关系
实验中先保持小车的质量不变，通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力。小车所受
的拉力可以认为与槽码所受的重力相等。测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度
与拉力的变化情况，找出两者的定量关系；
探究加速度与质量的关系
保持小车受到的拉力不变，通过在小车上增加重物改变小车的质量，测得不同质量的
小车在这个拉力下运动的加速度，分析加速度与质量的变化情况，找出两者之间的定量关
系。；
例题. （2023·江苏模拟预测）“探究加速度与力的关系”的实验装置如图甲所示。
(1)实验的五个步骤如下：
A．将纸带穿过打点计时器并将一端固定在小车上；
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B．把细线的一端固定在小车上，另一端通过定滑轮与小桶相连；
C．用阻力补偿法测合力，让小车做匀速直线运动；
D．接通电源后释放小车，小车在细线拉动下运动，测出小桶(和砂)的重力mg，作为
细线对小车的拉力F，利用纸带测量出小车的加速度a；
E．更换纸带，改变小桶内砂的质量，重复步骤D 的操作。
甲
按照实验原理，这五个步骤的先后顺序应该为：________(将序号排序)。
(2)实验中打出的某一条纸带如图乙所示。相邻计数点间的时间间隔是0.1 s，由此可以
算出小车运动的加速度是__________m/s2。
乙 丙
(3)利用测得的数据，可得到小车质量M 一定时，运动的加速度a 和所受拉力F(F＝
mg，m 为砂和小桶质量，g 为重力加速度)的关系图像(如图5 丙所示)。拉力F 较大时，a－
F 图线明显弯曲，产生误差。若不断增加砂桶中砂的质量，a－F 图像中各点连成的曲线将
不断延伸，那么加速度a 的趋向值为__________(用题中出现物理量表示)。 为避免上述误
差可采取的措施是__________。
A．每次增加桶内砂子的质量时，增幅小一点
B．测小车的加速度时，利用速度传感器代替纸带和打点计时器
C．将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替
砂和小桶的重力
D．在增加桶内砂子质量的同时，在小车上增加砝码，确保砂和小桶的总质量始终远
小于小车和砝码的总质量
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由于在“探究加速度与力、质量的关系的”实验装置中有长木板，所以可以利用本实
验装置“测定物体与长木板之间的动摩擦因数”，这样就不需要平衡摩擦力，利用打点计
时器和纸带（或者光电门和光电计时器）测出物体的加速度，再根据牛顿第二定律求出物
体与木板之间的动摩擦因数；也可以利用本实验装置“测量物体的质量”；如果利用打点
计时器（或者光电门与光电计时器）测出物体运动的加速度以及物体的质量，可以根据牛
顿第二定律求出当地的重力加速度；如果以小车为研究对象，测出小车受到的外力所做的
功以及小车动能的变化，可以探究做功与动能变化的关系等。
1. （2023 福建高考模拟预测）两位同学采用如图所示的装置测定物块与桌面间的动摩
擦因数。实验中，他们使物块在重物的牵引下由静止开始运动，当重物落地后，物块再运
动一段距离后停在水平桌面上，用打点计时器和纸带记录物块的运动。
(1)实验时，甲同学测量出重物的质量为M，物块的质量为m，他选择了一条点迹清晰
的纸带测量，计算出物块加速过程中的加速度大小为a；已知重力加速度为g，甲同学忽略
滑轮质量和绳与滑轮间的摩擦，得出物块和桌面间的动摩擦因数表达式为μ＝________(用
M、m、a、g 表示)。
(2)如图所示为乙同学选取的一段纸带，1、2、3、4、5 是他选取的计数点，相邻两个
计数点之间还有四个点未画出。已知打点计时器电源的频率为50 Hz，当地的重力加速度
大小为9.8 m/s2。利用纸带测得的数据可求出该物块减速运动过程中的加速度大小a＝
____m/s2，物块与桌面间的动摩擦因数μ＝______。(计算结果均保留到小数点后2 位)。
2. （2021•江苏·统考高考真题）小明利用如图1 所示的实验装置验证动量定理。将
遮光条安装在滑块上，用天平测出遮光条和滑块的总质量M＝200.0 g，槽码和挂钩的总质
量m＝50.0g。实验时，将滑块系在绕过定滑轮悬挂有槽码的细线上。滑块由静止释放，数
字计时器记录下遮光条通过光电门1 和2 的遮光时间Δt1和Δt2，以及这两次开始遮光的时
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间间隔Δt，用游标卡尺测出遮光条宽度，计算出滑块经过两光电门速度的变化量Δv。
（1）游标卡尺测量遮光条宽度如图2 所示，其宽度d＝ mm；
（2）打开气泵，待气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导轨上的滑块能在短时间内保
持静止，其目的是 ；
（3）多次改变光电门2 的位置进行测量，得到Δt 和Δv 的数据如下表：
Δt/s
0.721
0.790
0.854
0.913
0.968
Δv/（m•s﹣
1）
1.38
1.52
1.64
1.75
1.86
请根据表中数据，在方格纸上作出Δv﹣Δt 图线；
（4）查得当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，根据动量定理，Δv﹣Δt 图线斜率的理论值
为 m/s2；
（5）实验结果发现，图线斜率的实验值总小于理论值，产生这一误差的两个可能原因
是 。
A．选用的槽码质量偏小
B．细线与气垫导轨不完全平行
C．每次释放滑块的位置不同
D．实验中Δt 的测量值偏大
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1.（2023·福建·统考高考真题）某小组用图甲所示的实验装置探究斜面倾角是否对动摩
擦因数产生影响。所用器材有：绒布木板、滑块、挡光片、米尺、游标卡尺、光电门、倾
角调节仪等。实验过程如下：
（1）将绒布平铺并固定在木板上，然后将光电门A、B 固定在木板上。用米尺测量
A、B 间距离L；
（2 ）用游标卡尺测量挡光片宽度d ，示数如图乙所示。该挡光片宽度d=
mm；
（3）调节并记录木板与水平面的夹角θ，让装有挡光片的滑块从木板顶端下滑。记录
挡光片依次经过光电门A 和B 的挡光时间ΔtA和ΔtB，求得挡光片经过光电门时滑块的速度
大小vA和vB。某次测得ΔtA=5.25×10-3s，则vA= m/s（结果保留3 位有效数字）
（4）推导滑块与绒布间动摩擦因数μ 的表达式，可得μ= （用L、vA、vB、θ
和重力加速度大小g 表示），利用所得实验数据计算出μ 值；
（5）改变θ 进行多次实验，获得与θ 对应的μ，并在坐标纸上作出μ－θ 关系图像，如
图丙所示；
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（6）根据上述实验，在误差允许范围内，可以得到的结论为 。
2. （2023 上·四川成都·高三统考期中）某实验小组采用如图甲所示装置探究做功与动
能变化的关系，并测量斜面与滑块间的动摩擦因数μ。主要步骤如下：
（1）把平板竖直放置，并画上一条竖直线AB 和水平线AC，将斜面装有光电门的一
端始终保持在C 点不动，抬高斜面另一端，每次都让质量为m 的小滑块（含挡光片）从斜
面与竖直线AB 的交界处由静止下滑。光电门可以测得挡光片经过光电门时的挡光时间t，
要间接测量滑块通过光电门的动能，还需要测量的物理量为 （填写该物理量名称
和符号），小滑块通过光电门的动能表达式为Ek= 。
（2）测得水平线AC 长度为L。将小滑块放置在斜面上与竖直线对应位置，并测量出
该位置与A 点的竖直距离h，小滑块由静止释放后沿斜面下滑通过光电门，斜面的动摩擦
因数μ 和当地重力加速度g 视为不变。则小滑块从某一高度h 滑下，其合外力做功的表达
式为W= 。
（3）以斜面C 点为支点保持该位置不动，不断抬高斜面倾角，重复步骤（2），测得
多组h、t 数据，该实验小组利用实验数据描绘得到了如图乙所示的图像（
图像），
该图像可以反映合外力做功与动能变化的关系。若已知该图像的斜率为k、截距为b，则可
以算出斜面的动摩擦因数μ= （用所测量的物理量表示）。
3．（2023 上·江苏扬州·高三扬州中学校考开学考试）物理实验不仅要动手操作还要动
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脑思考，小明同学就注意到图甲所示的装置可以完成多个力学实验。
（1）探究速度随时间变化规律时，实验室有电磁打点计时器和电火花计时器，但只提
供220 V 的交流电源，小明应选用 计时器。
某次实验中打出的纸带如图乙可所示。已知相邻计数点间的时间间隔为0.1s，则小车
的加速度a= m/s2（保留2 位有效数字）；
（2）利用上述数据测小车与水平长木板之间的动摩擦因数。已知小车质量为m=0.5
kg，钩码质量为M=0.1kg，重力加速度取g=10m/s2，则小车与长木板间的动摩擦因数μ=
；动摩擦因数的测量值 （填“小于”“等于”“大于”）真实值。
（3）“探究加速度与力和质量关系”的实验时，除了平衡摩擦力，还应该 。
①钩码质量远大于小车的质量
②每次改变小车质量后要重新平衡摩擦力
③先接通电源打点再释放小车
（4）用图甲装置 （填“能”或“不能”）验证小车和钩码组成的系统机
械能守恒。
4. （2023 上·山东淄博·高三山东省淄博实验中学校考开学考试）教材列出的木一木动
摩擦因数为0.30，实验小组采用如图甲所示的装置测量木块与木板间的动摩擦因数。实验
中，木块在重锤的拉动下，沿水平长木板做匀加速运动。
（1）实验所用重锤质量150g 左右，下列供选择的木块质量最合适的是
A．20g B．260g C．500g D．600g
（2）关于实验操作和注意事项，下列说法正确的有 ；
A．实验中先释放木块，后接通电源
B．调整定滑轮高度，使细线与板面平行
C．必须满足细线对木块拉力与重锤重力大小近似相等
D．必须满足重锤质量远小于木块质量
（3）实验得到的一根纸带如图乙所示，从某个清晰的点开始，每5 个打点取一个计数
点，依次标出0、1、2、3、4、5、6，测得点O 与点3．点6 间的距离分别为19.90cm、
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54.20cm，计时器打点周期为0.02s，则木块加速度a = m/s2（保留两位有效数字）；
（4）实验测得μ = 0.33，大于教材列表中的标值，请写出两个可能的原因： ，
。
5. （2021•福建高考真题）某实验小组利用图甲所示的实验装置探究空气阻力与速
度的关系，实验过程如下：
（1）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。
（2）用垫块将木板一端垫高，调整垫块位置，平衡小车所受摩擦力及其他阻力。
若某次调整过程中打出的纸带如图（b）所示（纸带上的点由左至右依次打出），则垫
块应该 （填“往左移”“往右移”或“固定不动”）。
（3）在细绳一端挂上钩码，另一端通过定滑轮系在小车前端。
（4）把小车靠近打点计时器，接通电源，将小车由静止释放。小车拖动纸带下滑，
打出的纸带一部分如图丙所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz，纸带上标
出的每两个相邻计数点之间还有4 个打出的点未画出。打出F 点时小车的速度大小为
m/s（结果保留2 位小数）。
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（5）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﹣t 图像如图丁所示，由图像可知小车加速度大小 （填“逐渐变大”“逐
渐变小”或“保持不变”）。据此可以得到的实验结论是 。
6. （2021•河北高考真题）某同学利用图1 中的实验装置探究机械能变化量与力做
功的关系。所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50g 的钩码若干、光电门2 个、
数字计时器、带遮光条的滑块（质量为200g，其上可放钩码）、刻度尺。当地重力加速
度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下：
①安装器材，调整两个光电门距离为50.00cm，轻细绳下端悬挂4 个钩码，如图甲
所示；
②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通
过两个光电门的速度；
③保持绳下端悬挂4 个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩
码的质量，重复上述步骤；
④完成5 次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑
块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量
ΔE，结果如下表所示：
M/kg
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
ΔEk/J
0.587
0.490
0.392
0.294
0.195
ΔE/J
0.393
0.490
0.686
0.785
回答下列问题：
（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为 J（保留三位有效数
字）；
（2）步骤④中的表格所缺数据为 ；
（3）以M 为横轴，ΔE 为纵轴，选择合适的标度，在图乙中绘出ΔE﹣M 图像；
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若系统总机械能的减少量等于克服摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为
。（保留两位有效数字）
7.（2023 山东滨州惠民县高三上期末考）某同学利用如图装置测量小车和智能手机的
质量，智能手机可以利用APP 直接测量出手机运动时的加速度。悬挂质量为m 的钩码，用
智能手机测出小车运动的加速度a；改变钩码的质量m，进行多次测量；做出a 与m（g-
a）的图像如图，已知图像中直线的截距为b，斜率为k。不计空气阻力，重力加速度为g。
（1）（单选）以下说法正确的是___________；
A．钩码的质量应该远小于智能手机和小车的质量
B．细绳应该始终与长木板平行
C．不悬挂钩码时，应使小车和智能手机匀速沿木板下滑
D．细线的拉力等于钩码的重力
（2）根据图像可得，小车和手机的质量为____________；
（3）再利用手机APP 测出斜面倾角为θ，则小车和智能手机沿木板运动过程中受摩擦
力的大小为_______。
8.（2023 山东潍坊期末考）图甲为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。某
同学欲用这套实验装置探究滑块的加速度与长木板、滑块间的动摩擦因数的关系，在其他
条件不变的情况下，通过多次改变动摩擦因数μ 的值，利用纸带测量对应的多个加速度a
的值，画出了a-μ 图像，如图乙所示。所有计算结果均保留两位有效数字，重力加速度
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g=10m/s²。
（1）为尽可能准确地完成实验，下列做法正确的是_______ 。
A．实验中需要保证桶和砂子的总质量m 远小于滑块的质量M
B．实验中需要保证滑块的质量M 不变
C．实验中不需要保证桶和砂子的总质量m 不变
D．连接滑块的细线要与长木板平行
E．本实验中，需要平衡摩擦力
（2）由图乙可知，若滑块的质量M=2kg，则小桶和砂子的总质量m=_______kg，图
乙中b=_______m/s²。
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