2026版创新设计高考总复习物理(人教基础版)课时跟踪练-实验六　探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系

实验六探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系(分值:46分)温馨提示:此系列题卡,非选择题每空2分,分值不同题空另行标注1.(8分)(2025·河北唐山模拟)向心力演示器可以探究小球做圆周运动所需向心力F的大小与质量m、角速度ω、轨道半径r之间的关系,装置如图所示,两个变速塔轮通过皮带连接。实验时,匀速转动手柄使长槽和短槽分别随相应的变速塔轮匀速转动,槽内的金属小球做匀速圆周运动。横臂的挡板对小球的压力提供向心力,小球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力筒下降,从而露出标尺,标尺上黑白相间的等分格显示出两个金属球所受向心力的数值大小。(1)在该实验中应用了(选填“理想实验法”“控制变量法”“等效替代法”)来探究向心力大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。

(2)在小球质量和转动半径相同,传动塔轮皮带套在左、右两个塔轮的半径之比为2∶1的情况下,某同学逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左、右两侧露出的标尺格数之比为;其他条件不变,若增大手柄转动的速度,则左、右两标尺的格数(选填“变多”“变少”或“不变”),两标尺格数的比值(选填“变大”“变小”或“不变”)。

2.(10分)(2025·江西赣州联考)用如图甲所示的装置探究影响向心力大小的因素。已知小球在槽中A、B、C位置做圆周运动的轨迹半径之比为1∶2∶1,小球做圆周运动的向心力与标尺露出的格数成正比,变速塔轮自上而下按如图乙所示三种方式进行组合,每层半径之比由上至下分别为1∶1、2∶1和3∶1。(1)本实验所采用的实验探究方法与下列哪些实验是相同的。

A.探究平抛运动的特点B.探究两个互成角度的力的合成规律C.探究加速度与物体受力、物体质量的关系(2)在探究向心力大小与半径的关系时,为了控制角速度相同需要将传动皮带调至第(选填“一”“二”或“三”)层塔轮,然后将两个质量相等的小球分别放在(选填“A和B”“A和C”或“B和C”)位置,匀速转动手柄,如图丙所示,左侧标尺露出2格,右侧标尺露出1格,则左右两球所受向心力大小之比为。

(3)在记录两个标尺露出的格数时,同学们发现要同时记录两边的格数且格数又不是很稳定,不便于读取。于是有同学提出用手机拍照后再通过照片读出两边标尺露出的格数。下列对该同学建议的评价,你认为正确的是。

A.该方法可行,但仍需要匀速转动手柄B.该方法可行,且不需要匀速转动手柄C.该方法不可行,因不能确定拍照时露出的格数是否已稳定3.(8分)(2025·重庆九龙坡高三开学考试)某兴趣小组用图甲所示的装置探究圆周运动向心力的大小与质量、线速度和半径之间的关系。不计摩擦的水平直杆固定在竖直转轴上,竖直转轴可以随转速可调的电动机一起转动,套在水平直杆上的滑块,通过细线与固定在竖直转轴上的力传感器相连接。水平直杆的另一端到竖直转轴的距离为R的边缘处安装了宽度为d的遮光片,光电门可以测出遮光片经过光电门所用的时间。(1)为了探究滑块向心力的大小与运动半径的关系,需要控制(选填“质量和线速度”“质量和半径”“线速度和半径”)保持不变。

(2)由图甲可知,滑块的角速度(选填“大于”“小于”或“等于”)遮光片的角速度。若某次实验中滑块到竖直转轴的距离为r,测得遮光片的挡光时间为Δt,则滑块的线速度表达式v=

(用Δt、d、R、r表示)。(3)兴趣小组保持滑块质量和运动半径不变,探究向心力F与线速度的关系时,以F为纵坐标,以1(Δt)2为横坐标,根据测量数据作一条倾斜直线如图乙所示,已测得遮光片的宽度d=0.01m,遮光片到竖直转轴的距离R=0.3m,滑块的质量m=0.15kg,则滑块到竖直转轴的距离r=4.(10分)(2024·黑龙江大庆高三月考)某物理兴趣小组验证“向心力大小与线速度大小关系”的实验装置如图所示。实验步骤如下:①按照图示安装仪器,轻质细线上端固定在力传感器上,下端悬挂一小球,小球静止时刚好位于光电门中央;②将小球悬挂并保持静止,此时力传感器示数为F1,用米尺量出细线长L;③将小球拉到适当高度处且细线拉直,由静止释放小球,光电计时器记录小球的遮光时间t,力传感器示数最大值为F2;④改变小球的释放位置,重复上述过程,已知小球的直径为d(d≪L),当地的重力加速度大小为g。(1)小球经过光电门时的速度大小v=,小球的质量m=(均用给定的物理量符号表示)。

(2)仅从小球受力的角度分析,小球经过光电门时的加速度大小an=(用F1、F2、g表示)。

(3)得出多组实验数据后,该实验小组选择用图像法处理数据,当纵轴表示F1-F2,横轴表示(选填“t”“1t”或“1t2”)时,绘制出的图线为过坐标原点的直线,能更直观体现出向心力大小与线速度大小的关系,且图线的斜率k=(用给定的物理量符号表示5.(10分)(2025·人大附中高三月考)如图所示为研学小组的同学们用圆锥摆验证向心力表达式的实验情景。将一轻细线上端固定在铁架台上,下端悬挂一个质量为m的小球,将画有几个同心圆周的白纸置于悬点下方的水平平台上,调节细线的长度使小球自然下垂静止时恰好位于圆心处。用手带动小球运动使它在放手后恰能在纸面上方沿某个画好的圆周做匀速圆周运动。调节平台的高度,使纸面贴近小球但不接触。(1)若忽略小球运动中受到的阻力,在具体的计算中可将小球视为质点,重力加速度为g。①在某次实验中,小球沿半径为r的圆做匀速圆周运动,用秒表记录了小球运动n圈的总时间t,则小球做此圆周运动所需的向心力大小Fn=(用m、n、t、r及相关的常量表示)。用刻度尺测得细线上端悬挂点到画有圆周纸面的竖直高度为h,那么对小球进行受力分析可知,小球做此圆周运动所受的合力大小F=(用m、h、r及相关的常量表示)。

②保持n的取值不变,改变h和r进行多次实验,可获取不同时间t。研学小组的同学们想用图像来处理多组实验数据,进而验证小球在做匀速圆周运动过程中,小球所受的合力F与向心力Fn大小相等。为了直观,应合理选择坐标轴的相关变量,使待验证关系是线性关系。为此不同的组员尝试选择了不同变量并预测猜想了如图所示的图像,若小球所受的合力F与向心力Fn大小相等,则这些图像中合理的是。

(2)考虑到实验的环境、测量条件等实际因素,对于这个实验的操作,下列说法中正确的是(选填选项前的字母)。

A.相同体积的小球,选择密度大一些的球可以减小空气阻力对实验的影响B.相同质量的小球,选择体积小一些的球有利于确定其圆周运动的半径C.测量多个周期的总时间再求周期的平均值,有利于减小周期测量的偶然误差D.在这个实验中必须测量出小球的质量(3)若在小球运动起来后撤掉水平平台,由于实际实验过程中存在空气阻力的影响,所以持续观察