4.6实验六：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系-2027届高考物理一轮复习课件

第22课时实验六:探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系1.实验器材向心力演示器,三个金属球(半径相同,其中两个为质量相同的钢球,另一个为质量是钢球一半的铝球)。2.实验原理本实验探究向心力与多个物理量之间的关系,因而应采用

法。

(1)控制小球

和做圆周运动的

不变,探究向心力与角速度的关系。

(2)控制小球

和

不变,探究向心力与半径的关系。

(3)控制小球做圆周运动的

和

不变,探究向心力与质量的关系。

控制变量质量半径质量角速度半径角速度3.实验过程(1)分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的两个小槽中,且小球到转轴(即圆心)距离相同,即圆周运动半径相同。将皮带放置在适当位置使两转盘转动,记录不同角速度下的向心力大小(格数)。(2)分别将两个质量

的小球放在实验仪器的长槽和短槽两个小槽中,将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度

,小球到转轴(即圆心)距离不同,即圆周运动半径不等,记录不同半径的向心力大小(格数)。(3)分别将两个质量不相等的小球放在实验仪器的两个小槽中,且小球到转轴(即圆心)距离相同,即圆周运动半径相等,将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度相等,记录不同质量下的向心力大小(格数)。相等相等4.数据处理分别作出Fn-ω2、Fn-r、Fn-m的图像,分析向心力与角速度、半径、质量之间的关系,并得出结论,如图所示。m、r不变,探究Fn与ω的关系m、ω不变,探究Fn与r的关系ω、r不变,探究Fn与m的关系

Fn与ω2成正比

Fn与r成正比

Fn与m成正比

命题分析1.考装置:器材装配以及其他器材替代。2.考读算:读标尺的格数、作图连线、算图像的斜率等。3.考变化:实验器材创新、实验原理创新。特别提醒1.向心力的测量:由塔轮中心标尺露出的等分格的读数读出。2.质量的测量:用天平直接测量。选用不同的钢球和铝球。3.轨道半径的测量:根据长、短槽上的刻度读出小球到转轴的距离。4.角速度的测量:通过测量变速塔轮的直径确定角速度的比值。操作注意1.实验前要做好横臂支架安全检查,检查螺钉是否有松动,保持仪器水平。2.实验时转速应从慢到快,且转速不宜过快,以免损坏测力弹簧。3.注意防止皮带打滑,尽可能保证ω比值不变。4.注意仪器的保养,延长仪器使用寿命,并提高实验可信度。误差分析1.污渍、生锈等使小球质量、半径变化,带来的误差。2.仪器不水平带来的误差。3.标尺读数不准带来的误差。4.皮带打滑带来的误差。考点一教材原型实验典例1

如图所示是“探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系”的实验装置。转动手柄,可使两侧变速塔轮以及长槽和短槽随之匀速转动。皮带分别套在左、右两塔轮上的不同圆盘上,可使两个槽内的小球分别以各自的角速度做匀速圆周运动,其向心力由挡板对小球的压力提供,球对挡板的反作用力,通过杠杆作用使弹簧测力筒下降,从而露出标尺,标尺上露出的红白相间的等分格显示出两个球所受向心力的比值。(1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时主要用到了物理学中的

。

A.理想实验法

B.控制变量法C.等效替代法

D.演绎法(2)皮带与不同半径的塔轮相连主要是为了使两小球的

不同。

A.转动半径r

B.质量mC.角速度ω

D.线速度v(3)为了能探究向心力大小的各种影响因素,左右两侧塔轮

(选填“需要”或“不需要”)设置半径相同的轮盘。

(4)你认为以上实验中产生误差的原因有

(写出一条即可)。小球转动半径引起的误差;弹簧测力筒读数引起的误差;皮带打滑引起的误差BC需要

D对点演练1

用如图所示的装置来探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。两个变速轮塔通过皮带连接,转动手柄使槽内的钢球做匀速圆周运动。横臂的挡板对球的压力提供向心力,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,标尺上的红白相间等分格的数量之比等于两个球所受向心力的比值。装置中有大小相同的3个金属球可供选择使用,其中有2个钢球和1个铝球,如图是某次实验时装置的状态,图中两个球到标尺距离相等。(1)在研究向心力的大小F与质量m关系时,要保持

相同。

A.ω和r

B.ω和mC.m和r

D.m和F(2)为了探究小球所需向心力F的大小与角速度ω之间的关系,下列说法正确的是

。

A.应使两小球离转轴的距离不同B.应使用两个质量不等的小球C.该实验主要用到等效替代法D.应将皮带套在两边半径不等的变速塔轮上AD(3)若图中标尺上红白相间的格显示出两个小球所受向心力比值为1∶9,那么与皮带连接的两个变速塔轮的半径之比为

。

A.1∶3 B.3∶1C.1∶9 D.9∶1(4)若在实验中发现连接塔轮的皮带出现打滑现象,则第(3)问中求得的半径之比

(选填“偏大”“偏小”或“没有误差”)。

B偏大

考点二拓展创新实验1.高考启示本实验主要考查实验器材的使用以及功能,在处理实验数据时往往是采用图像法,有时为了避开课本中的实验器材,命题人采用器材创新、实验目的创新的方式,考查考生的实验探究能力。2.情境拓展

实验目的创新

由探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的实验,迁移为测角速度大小实验目的创新由探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的实验,迁移为测向心加速度和重力加速度的实验实验器材创新由力传感器替代向心力演示器,探究影响向心力大小的因素,使实验数据获取更便捷,数据处理和分析更准确

数据处理创新

采用控制变量法,利用力传感器记录数据,根据F-v2图线分析数据典例2

(2025南通一模)兴趣小组用如右图所示装置验证向心力公式,将力传感器和光电门分别固定,细线上端固定在力传感器上,下端拴接一金属小球。小球自然下垂时球心与光电门中心重合,已知球心到悬点O的距离为l,小球的直径为d,重力加速度为g,实验如下:(1)小球自然下垂时力传感器读数为F0,则小球的质量m=

(用题中已知量表示);(2)将小球拉离竖直方向成一定角度后由静止释放,摆动过程中,测得小球通过光电门的时间t,力传感器对应测得细线的最大拉力F,则小球经过最低点时的速度大小v=

(用题中已知量表示);

(3)改变细线与竖直方向的夹角,重复步骤(2),多次采集实验数据;

(4)正确操作得到一组数据,下列图像中能验证向心力公式的是

;

D

球心到悬点的距离l用悬线的长度表示(或球心与光电门中心不重合)对点演练2

某实验小组先用如图所示的装置“感受向心力”:用一根轻质细绳一端拴一个物块在光滑水平桌面上抡动细绳使物块做匀速圆周运动。(1)下列说法错误的是

。

A.物块的加速度恒定不变B.细绳拉力提供物块做圆周运动的向心力C.物块转动半径不变时,物块转动越快,手感受到的拉力越大D.若物块转动的快慢和半径不变,增大物块的质量,手感受到的拉力变大A(2)用长短不同、承受最大拉力相同的两根绳子各拴着一个质量相同的小球,若两个小球以相同的角速度转动,则

(选填“长”或“短”)绳容易断。该实验小组又用如图所示的