2027届新高考物理热点精准复习探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系

2027届新高考物理热点精准复习探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系实验操作•夯实必备知识典例精析•实现素养迁移实验操作•夯实必备知识实验原理本实验探究向心力与多个物理量之间的关系,实验采用控制变量法。如图所示(见实验装置图),匀速转动手柄,可以使塔轮、长槽和短槽匀速转动,槽内的小球也就随之做匀速圆周运动,此时小球向外挤压挡板,挡板对小球有一个向内(指向圆周运动的圆心)的弹力作为小球做匀速圆周运动的向心力,可以通过标尺上露出的红白相间等分标记,粗略计算出两球所需向心力的比值实验原理(1)向心力的测量:由塔轮中心标尺露出的等分标记的读数读出(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实验方案实验步骤数据处理1.m、r一定:把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上,使它们的转动半径相同,调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度不同,探究向心力的大小与角速度的关系2.m、ω一定:保持两个小球质量不变,增大长槽上小球的转动半径,调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度相同,探究向心力的大小与半径的关系3.r、ω一定:换成质量不同的小球,使两个小球的转动半径相同,调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度也相同,探究向心力的大小与质量的关系分别作出Fn-ω2、Fn-r、Fn-m的图像,分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系,并得出结论误差分析(1)仪器不水平带来的误差(2)标尺读数不准确带来的误差(3)皮带打滑带来的误差典例精析•实现素养迁移类型一

动脑求真——明原理角度1

向心力演示仪法【典例1】某学习小组使用如图所示的实验装置探究向心力大小与半径、角速度、质量之间的关系,若两球分别放在长槽和短槽的挡板内侧,转动手柄,长槽和短槽随变速塔轮匀速转动,两球所受向心力的比值可通过标尺上的等分格显示,当皮带放在皮带盘的第一挡、第二挡和第三挡时,左、右变速塔轮的角速度之比分别为1∶1、1∶2和1∶3。(1)采用的实验方法是____________(填正确答案标号)。

A.控制变量法B.等效法C.模拟法【解析】(1)本实验先控制住其他几个因素不变,集中研究其中一个因素变化所产生的影响,采用的实验方法是控制变量法,故选A。A(2)第三挡对应左、右皮带盘的半径之比为____________。

【解析】(2)皮带传动线速度相等,第三挡变速塔轮的角速度之比为1∶3,根据v=ωr可知,第三挡对应左、右皮带盘的半径之比为3∶1。3∶1(3)探究向心力大小与质量之间的关系时,把皮带放在皮带盘的第一挡后,应将质量__________(选填“相同”或“不同”)的铝球和钢球分别放在长、短槽上半径________(选填“相同”或“不同”)处挡板内侧。

【解析】(3)探究向心力大小与质量之间的关系时,需要保证两个小球做圆周运动的角速度相等、半径相等,质量不同,所以应将质量不同的铝球和钢球分别放在长、短槽上半径相同处挡板内侧。不同

相同

二(5)在探究向心力F的大小与轨道半径r之间的关系时,将相同的两个钢球分别放在长、短槽上半径不同处挡板内侧,将皮带放在皮带盘的第一挡。已知两挡板到转轴中心的距离之比为2∶1,则向心力演示器左右标尺上显示的红白相间的等分格之比为__________。

【解析】(5)根据向心力公式Fn=mω2r,可知,当两球的质量m、角速度ω相等时,向心力Fn与圆周半径r成正比,故向心力演示器左右标尺上显示的红白相间的等分格之比为2∶1。2∶1(6)用向心力演示器可以探究出的结论是__________。

A.在物体质量和运动半径一定的情况下,向心力的大小与角速度成正比B.在运动半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与物体质量成正比C.在物体质量和运动半径一定的情况下,向心力的大小与线速度的大小成正比D.在物体质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与运动半径成反比B【解析】(6)在物体质量和运动半径一定的情况下,向心力的大小与角速度平方成正比,选项A错误;在运动半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与物体质量成正比,选项B正确;在物体质量和运动半径一定的情况下,向心力的大小与线速度的平方成正比,选项C错误;在物体质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与运动半径成正比,选项D错误。角度2

传感器法【典例2】(2026·许昌模拟)某实验小组利用如图甲装置探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。图中直径为D的水平圆盘可绕竖直中心轴转动,盘边缘侧面上有很小一段涂有很薄的反光材料。当圆盘转到某一位置时,接收器可以接收到反光涂层所反射的激光束,并将所收到的光信号转变成电信号,在示波器显示屏上显示出来,从而记录反光时间Δt。长为L的细线一端连接小滑块,另一端连到固定在转轴上的力传感器上,连接到计算机上的传感器能显示细线的拉力F,用游标卡尺测量反光材料的长度Δd。实验小组采取了下列实验步骤:

滑块受到摩擦力的作用

类型二

动手求证——探真知项目错误操作及原因正确操作定塔层定半径探究“匀速圆周运动中向心力与质量的关系”,由控制变量法可知应保持半径和角速度不变,应将小球放在半径相同处和将传动皮带放在塔轮第一层使角速度相同项目错误操作及原因正确操作调标尺实验前应该调节标尺,使左、右两边同时为零。通过调零螺母调整标尺,使两根标尺起点和套筒上沿处于同一水平面上【典例3】用如图所示的装置来探究钢球做圆周运动所需向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。(1)实验前应该调节标尺,使左、右两边同时为零。通过调零螺母调整标尺,使两根标尺__________________________________。

[调标尺]【解析】(1)实验前应该调节标尺,使左、右两边同时为零。通过调零螺母调整标尺,使两根标尺起点和套筒上沿处于同一水平面上。起点和套筒上沿处于同一水平面上(2)若两个钢球的质量和转动半径相等,则是在研究向心力F的大小与__________的关系。

A.质量mB.角速度ωC.半径r[定变量]【解析】(2)两个钢球质量和运动半径相等,根据向心力公式F=mrω2可知,是在研究向心力的大小F与角速度ω的关系,故A、C错误,B正确。B(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,于是有同学提出用相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__________(填标号)。

A.该方法可行,且不需要匀速转动手柄B.该方法可行,但仍需