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第7 讲 实验四：探究加速度与力、质量的关系
学习目标：
1.理解实验的原理，明确实验过程并能进行数据处理。
2.了解实验的注意事项，会对实验进行误差分析。
3.能用创新改进后的方案进行实验。
知识梳理
1．实验目的
(1)学会用控制变量法研究物理量之间的关系。
(2)探究加速度与力、质量的关系。
(3)掌握利用图像处理数据的方法。
2．实验原理
(1)保持质量不变，探究加速度与 的关系。
(2)保持合外力不变，探究加速度与 的关系。
(3)作出 图像和a－图像，确定a 与F、m 的关系。
3．实验器材
小车、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、学生电源、导线、纸带、天平、刻度
尺、坐标纸等。
4．实验过程
(1)测量：用天平测量槽码的质量m′和小车的质量m。
(2)安装：按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车
)。
(3)补偿阻力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，使小车能匀速下滑。
(4)操作：①槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先 后 ，断开电源，取下纸带，编号码。
②保持小车的质量m 不变，改变槽码的质量m′，重复步骤①。
③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，计算加速度a。
④描点作图，作a－F 图像。
⑤保持槽码的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－图像。
5．数据处理
(1)利用逐差法或v－t 图像法求a。
(2)以a 为纵坐标，F 为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，说明a 与F 成正比。
(3)以a 为纵坐标，为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，就能判定a 与m 成反比。
6．注意事项
(1)开始实验前首先补偿阻力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好补
偿 。在补偿阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带
匀速运动。
(2)实验过程中不用重复补偿阻力。
(3)实验必须保证的条件： 。
(4)一先一后一按：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近
器
，并应先 ，后
，且应在小车到达滑轮前按住小车。
7．误差分析
(1)实验原理不完善：本实验用槽码的总重力代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于槽码的总
重力。
(2)补偿阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距离测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引
起误差。
考点一 教材原型实验
【例题】（2024·甘肃卷）用图1 所示的实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系。
(1)以下操作正确的是B。
A．使小车质量远小于槽码质量
B．调整垫块位置以补偿阻力
C．平衡阻力时移去打点计时器和纸带
D．释放小车后立即打开打点计时器
(2)保持槽码质量不变，改变小车上砝码的质量，得到一系列打点纸带。其中一条纸带的计数点如图2 所
示，相邻两点之间的距离分别为s1，s2，…，s8，时间间隔均为T。下列加速度算式中，最优的是D。
A．a＝＋＋＋＋＋＋
B．a＝＋＋＋＋＋
C．a＝＋＋＋＋
D.a＝＋＋＋
(3)以小车和砝码的总质量M 为横坐标，加速度的倒数为纵坐标，甲、乙两组同学分别得到的－M 图像如图
3 所示。
由图可知，在所受外力一定的条件下，a 与M 成 （选填“正比”或“反比”）；甲组所用的
（选填“小车”“砝码”或“槽码”）质量比乙组的更大。
【变式1-1】某实验小组利用如图甲所示的装置“探究加速度与力、质量的关系”。
(1)实验中除了需要小车、砝码、托盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电
源、两根导线、复写纸、纸带之外，还需要 、 。
(2)某同学以小车和车上砝码的总质量的倒数为横坐标，小车的加速度a 为纵坐标，在坐标纸上作出的a－
关系图线如图乙所示。由图可分析得出：加速度与质量成 （选填“正比”或“反比”）关系；图线
不过原点说明实验有误差，引起这一误差的主要原因是平衡摩擦力时长木板的倾角 （选填“过大”
或“过小”）。
(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a 与所受外力F 的关系，他们在轨道水平及
倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F 图线，如图丙所示。图线①（选填“①”或“②”）是
在轨道倾斜情况下得到的；小车及车中砝码的总质量M＝0.5 kg。
【变式1-2】用如图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系。
(1)除了图中所给器材以及交变电源和导线外，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)实验前补偿阻力的做法是：把实验器材安装好，先不挂沙桶，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。用垫块把木板不带滑轮一端垫高，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)为使沙桶和沙的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力，需满足的条件是沙桶及沙的总质量
________小车的总质量。(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)
(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 个点没有标出。打点计时器接在频率为50 Hz 的交变电源上。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。
(5)为探究加速度和力的关系，要保证________的总质量不变，改变沙桶内沙的质量，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)在探究加速度与力的关系时，该同学根据实验数据作出的a－F 图像如图丙所示，发现该图线不通过坐
标原点且BC 段明显偏离直线，分析其产生的原因，下列说法正确的是________。
A．不通过坐标原点可能是因为补偿阻力不足
B．不通过坐标原点可能是因为补偿阻力过度
C．图线BC 段弯曲可能是沙桶及沙的总质量未满足远小于小车总质量的条件
D．图线BC 段弯曲可能是沙桶及沙的总质量未满足远大于小车总质量的条件
(7)在探究加速度与质量的关系时，要保证沙和沙桶的质量不变。若沙和沙桶的总质量m 与小车的总质量M
间的关系不满足第(3)问中的条件，且已正确补偿阻力，由实验数据作出a－图线，则图线应如图中的
________所示(选填正确选项的字母)。
【变式1-3】（2024·浙江1 月选考）如图1 所示是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。
(1)该实验中同时研究三个物理量间关系是很困难的，因此我们采用的研究方法是B。
A．放大法 B．控制变量法 C．补偿法
(2)以下实验过程中的操作正确的是B。
A．补偿阻力时小车未连接纸带
B．先接通打点计时器电源，后释放小车
C．调节滑轮高度使细绳与水平桌面平行
(3)在小车质量远大于（选填“远大于”或“远小于”）槽码质量时，可以认为细绳拉力近似等于槽码所
受的重力。上述做法引起的误差为系统误差（选填“偶然误差”或“系统误差”）。为减小此误差，下列
可行的方案是C。
A．用气垫导轨代替普通导轨，滑块代替小车
B．在小车上加装遮光条，用光电计时系统代替打点计时器
C．在小车与细绳之间加装力传感器，测出小车所受拉力大小
(4)经正确操作后获得一条如图2 所示的纸带，建立以计数点0 为坐标原点的x 轴，各计数点的位置坐标分
别为0、x1、…、x6。已知打点计时器的打点周期为T，则打计数点5 时小车速度的表达式v＝；小车加速
度的表达式是
A （选填正确答案标号）。
A．a＝
B．a＝
C．a＝
考点二 探索创新实验
本实验中，高考命题选取的创新点主要体现在实验器材、实验方案和实验目的上。因此，在夯实教材
实验的基础上注意迁移和创新能力的培养，善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题。
【例题】（2024·江西卷）某小组探究物体加速度与其所受合力的关系。实验装置如图(a)所示，水平轨
道上安装两个光电门，小车上固定一遮光片，细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上钩码。
(1)实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行，再适当垫高轨道左端以平衡小车所受摩擦力。
(2)小车的质量为M1＝320 g。利用光电门系统测出不同钩码质量m 时小车加速度a。钩码所受重力记为F，
作出a－F 图像，如图(b)中图线甲所示。
(3)由图线甲可知，F 较小时，a 与F 成正比；F 较大时，a 与F 不成正比。为了进一步探究，将小车的质量
增加至M2＝470 g，重复步骤(2)的测量过程，作出a－F 图像，如图(b)中图线乙所示。
(4)与图线甲相比，图线乙的线性区间 ，非线性区间 。再将小车的质量增加至M3＝720 g，重
复步骤(2)的测量过程，记录钩码所受重力F 与小车加速度a，如表所示（表中第9～14 组数据未列出）。
序号
1
2
3
4
5
钩码所受重力
F/(9.8 N)
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
小车加速度
a/(m·s-2)
0.26
0.55
0.82
1.08
1.36
序号
6
7
8
9～14
15
钩码所受重力
F/(9.8 N)
0.120
0.140
0.160
……
0.300
小车加速度
a/(m·s-2)
1.67
1.95
2.20
……
3.92
(5)请在图(b)中补充描出第6 至8 三个数据点，并补充完成图线丙。
(6)根据以上实验结果猜想和推断：小车的质量 时，a 与F 成正比。结合所学知识对上述推断
进行解释：
。
【变式2-1】在“探究加速度与力的关系”的实验中，某同学设计了如图甲所示的实验装置。在调节桌面
水平后，利用力传感器来测量细线拉力。
(1)为探究加速度与力的关系，下列实验操作中正确的是______。
A．选用电火花计时器比选用电磁打点计时器实验误差会更小
B．实验过程中，沙和沙桶的质量可以约等于小车的质量
C．力传感器的示数即小车所受合外力的大小
D．先用手将小车按在图示位置，然后释放小车再接通电源
(2)该同学在实验中得到一条纸带如图乙所示，相邻计数点间有4 个点未画出，打点计时器所接交流电的
频率为50 Hz，小车的加速度大小为________ m/s2(结果保留两位有效数字)。
(3)该同学在小车内放置一质量为m0的砝码，多次改变沙的质量，通过实验得到多组a、F 数据，并利用测
量数据画出a－F 图像，已知图线的斜率绝对值为k，则小车的质量为________(用k、m0表示)。
(4)该同学用图丙所示装置完成“探究加速度与力、质量的关系”的实验，可通过位移的测量来代替加速
度的测量，即＝，使用这种方法需要满足两小车________。
A．所受拉力相同
B．运动时间相同
C．小车质量相等
(5)在利用图甲装置进行实验时，是否需要进行阻力补偿？如果需要，请说明如何操作？如果不需要，请
说明理由？____________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
【变式2-2】（2022·山东卷）在天宫课堂中，我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实
验。受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、滑块、轻弹簧和待测物体等器材设
计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下：
①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；
②接通气源，放上滑块，调平气垫导轨；
③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O 点，A 点到O 点的距离为
5.00 cm，拉动滑块使其左端处于A 点，由静止释放并开始计时；
④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a 随时间t 变化的图像，部分图像如图乙所示。
请回答以下问题（结果均保留两位有效数字）：
(1)弹簧的劲度系数为 N/m。
(2)该同学从图乙中提取某些时刻F 与a 的数据，画出a－F 图像如图丙中Ⅰ所示，由此可得滑块与加速度
传感器的总质量为 kg。
(3)该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a－F 图像Ⅱ，则待测物体的质
量为 kg。
【变式2-3】如图甲所示，某实验小组利用验证牛顿第二定律的实验装置测定物块与木板之间的动摩擦因
数，实验装置固定连接完毕后，调节木板及物块右侧两段细绳水平，初步试用各个器件工作正常。实验开
始时在砂桶中放入适量的细砂，系统开始工作，物块做加速运动，打出的纸带如图乙所示，已知所用交流
电源的频率为50 Hz，重力加速度大小为g。
(1)已读出弹簧测力计的示数为F，为进一步测量动摩擦因数，下列物理量中还需测量的有B。
A．木板的长度L
B．物块的质量m
C．砂和砂桶的质量M
D．物块的运动时间t
(2)图乙中给出了实验中获取的纸带的一部分数据，0、1、2、3、4、5 是计数点，每相邻两计数点间还有
4 个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示。则打下计数点2 时物块对应的速度大小v＝
m/s；本次实验物块对应的加速度大小a＝ m/s2。（结果均保留三位有效数字）
(3)改变砂桶内细砂的质量，测量出对应的加速度a 和弹簧测力计的示数F。若用图像法处理数据，得到了
如图丙所示的一条倾斜的直线，如果该图线的横轴截距等于b，斜率为k，则动摩擦因数μ＝ （用
题目中给的b、k、g 表示）。
跟踪训练-考点拓展
1．某同学利用图甲所示DIS 装置探究滑块加速度与合力的关系，同时测量滑块与轨道间的动摩擦因数。
重物通过光滑的定滑轮用细线拉滑块，在滑块和细线左端之间固定一力传感器，位移传感器（接收器）固
定在轨道一端，位移传感器（发射器）随滑块一起沿水平轨道运动。实验中，保持滑块（包括位移传感器
发射器和力传感器）的质量M 不变，改变重物的质量m，重复实验若干次，得到滑块的加速度a 与力传感
器的示数F 的关系如图乙所示。
(1)本实验 （选填“需要”或“不需要”）满足滑块（包括位移传感器发射器和力传感器）的质量
远大于重物的质量。
(2)滑块（包括位移传感器发射器和力传感器）的质量为 kg；重力加速度大小g 取10 m/s2，空气
阻力不计，滑块与轨道间的动摩擦因数为 。
2．某同学为了探究加速度与力的关系，设计了如图甲所示的装置，操作如下：
①在铁架台的竖直杆上固定两个光电门1 和2，把光电门与计算机相连，可记录挡光片的挡光时间t。
②在铁架台横梁上固定定滑轮，细绳跨过定滑轮，两端分别拴接两个相同的小盒A、B，在小盒A 上固定一
挡光片（挡光片的质量可忽略）。
③用螺旋测微器测量挡光片的宽度d，如图乙所示，测得两光电门间距离为h。
④取10 个完全相同的砝码（每个砝码的质量m＝10 g）均分后放入A、B 中，系统处于静止状态。
⑤将小盒B 中的5 个砝码依次取出并放在小盒A 中，然后每次都将装置由静止释放，记录小盒A 经过两个
光电门1、2 时挡光片的挡光时间t1、t2。
重力加速度大小g 取9.8 m/s2，请根据实验回答以下几个问题。
(1)挡光片的宽度为d＝ mm。
(2)小盒A 的加速度大小a＝ （用h、d、t1、t2表示）。
(3)将五次取、放砝码后得到的数据进行处理，得到加速度a 的数值，填入下表。其中n 为从小盒B 中取走
的砝码个数。
n
1
2
3
4
5
a/(m·s-2)
0.20
0.41
0.59
0.80
1.0
请在图丙所示的坐标系中作出n－a 图像。
(4)设小盒的质量为M，根据图像可求得M＝ g。
