高一物理必修二第五章6第1課時向心力-教師版

1、6 向心力學習目標1.體驗向心力的存在， 會設計相關探究實驗，體會控制變量法在研究多個物理量關系中的應用.2.了解向心力的概念，知道它是根據力的作用效果命名的.3.會分析向心力的來源，掌握向心力的表達式，并能進行有關計算.4.知道變速圓周運動中向心力是合外力的一個分力，知道合外力的作用效果 .第1課時 實驗：探究向心力大小與半徑、角速度、質量的關系|技能儲備明確原理提蝶方法探究方案一 用細線和小物體定性感知向心力的大小.實驗原理：如圖1所示，細線穿在圓珠筆的桿中，一端拴住小物體，另一端用一只手牽住， 另一只手抓住圓珠筆桿并用力轉動，使小物體做圓周運動，可近似地認為作用在小物體上的 細加拉力提供

2、了做圓周運動所需的向心力，而細線的拉力可用牽住細線的手的感覺來判斷圖1.實驗器材：質量不同的小物體若干，空心圓珠筆，細線(長名6 60 cm).實驗過程：(1)在小物體的質量和角速度丕變的條件下，改變小物體做圓周運動的半徑進行實驗 (2)在小物體的質量和做圓周運動的半徑不變的條件下,改變物體的角速度進行實驗(3)在角諫度和做圓周運動的半徑不變的條件下,換用不同質量的小物體進行實驗.實驗結論：(1)在質量、角速度不變的條件下，向心力大小與半徑有關，半徑越大，向心力越大 (2)在質量、半徑不變的條件下，向心力大小與角速度有關，角速度越大，向心力越大(3)在角速度、半徑不變的條件下，向心力大小與質量

3、有關，質量越大，向心力越大探究方案二用向心力演示器定量探究.實驗原理圖2向心力演示器如圖 2所示，轉動手柄1,可使變速塔輪 2和3以及長槽4和短槽5隨之勻速 轉動.皮帶分別套在塔輪 2和3上的不同圓盤上，可使兩個槽內的小球分別以幾種不同的角速 度做勻速圓周運動.小球做圓周運動的向心力由橫臂6的擋板對小球的壓力提供， 球對擋板的反作用力，通過橫臂的杠桿使彈簧測力套筒7下降，從而露出標尺 8,標尺8上露出的紅白相間等分格子的多少可以顯示出兩個球所受向心力的大小.實驗步驟(1)皮帶套在塔輪 2、3半徑相同的圓盤上，小球轉動半徑和轉動角速度相同時，可以探究向 心力與小球質量的關系.(2)皮帶套在塔輪

4、2、3半徑不同的圓盤上，小球轉動角速度和質量相同時，可以探究向心力 與轉動半徑的關系.(3)皮帶套在塔輪 2、3的半徑相同的圓盤上，小球質量和轉動半徑相同時，可以探究向心力 與角速度的關系.探究方案三利用力傳感器和光電傳感器探究.實驗原理與操作圖3如圖3所示，利用力傳感器測量重物做圓周運動的向心力，利用天平、刻度尺、光電傳感器分別測量重物的質量 m、做圓周運動的半徑r及角速度3.實驗過程中，力傳感器與 DIS數據 分析系統(tǒng)相連，可直接顯示力的大小.光電傳感器與 DIS數據分析系統(tǒng)相連， 可直接顯示擋光 桿擋光的時間，由擋光桿的寬度和擋光桿做圓周運動的半徑，可得到重物做圓周運動的角速 度.實驗時

5、采用控制變量法，分別研究向心力與質量、半徑、角速度的關系.實驗數據的記錄與分析（1）設計數據記錄表格，并將實驗數據記錄到表格中（表一、表二、表三）m、r 一定（表一）序號123456F向W23m、3一定（表二）序號123456F向rr、3一定（表三）序號123456F向m（2）數據處理分別作出F向一、F向一r、F向一m的圖象，若F向一圖象不是直線，可以作 F向一 co2圖象. （3）實驗結論： TOC o 1-5 h z 在質量和半徑一定的情況下，向心力的大小與角速度的平方成正比.在質量和角速度一定的情況下，向心力的大小與半徑成正比.在半徑和角速度一定的情況下，向心力的大小與質量成正比.|題型

6、演練學以致用實訓|消售一、影響向心力大小的因素的定性分析【例11如圖4甲所示，同學們分小組探究影響向心力大小的因素.同學們用細繩系一紙杯（杯中有30 mL的水）在空中甩動，使杯在水平面內做圓周運動，來感受向心力 圖4（1）下列說法中正確的是.保持質量、繩長不變，增大轉速，繩對手的拉力將不變保持質量、繩長不變，增大轉速，繩對手的拉力將增大保持質量、角速度不變，增大繩長，繩對手的拉力將不變D.保持質量、角速度不變，增大繩長，繩對手的拉力將增大（2）如圖乙，繩離杯心 40 cm處打一結點A,80 cm處打一結點B,學習小組中一位同學手表計 時，另一位同學操作，其余同學記錄實驗數據： TOC o 1-

7、5 h z 操作一：手握繩結 A,使杯在水平方向每秒運動一周，體會向心力的大小操作二：手握繩結 B,使杯在水平方向每秒運動一周，體會向心力的大小操作三：手握繩結 A,使杯在水平方向每秒運動二周，體會向心力的大小操作四：手握繩結 A,再向杯中添加 30 mL的水，使杯在水平方向每秒運動一周，體會向心力的大小.則：操作二與一相比較：質量、角速度相同，向心力的大小與轉動半徑大小有關；操作三與一相比較：質量、半徑相同，向心力的大小與角速度的大小有關；操作四與一相比較：相同，向心力大小與有關；物理學中此種實驗方法叫法 .小組總結階段，在空中甩動，使杯在水平面內做圓周運動的同學談感受時說：“感覺手腕發(fā)酸，

8、感覺力的方向不是指向圓心的向心力而是背離圓心的離心力，跟書上說的不一樣”，你認為該同學的說法是否正確，為什么？答案（1）BD（2）角速度、半徑 質量控制變量說法不正確，該同學受力分析的對象是自己的手，我們實驗受力分析的對象是紙杯（包括水 ），細繩對紙杯（包括水）的拉力提供紙杯（包括水）做圓周運動的向心力，指向圓心.細繩對手的拉力與細繩對紙杯（包括水）的拉力大小相等，方向相反，背離圓心解析（1）由題意，根據向心力公式F向=）32r,由牛頓第二定律，則有Ft = mw2r；保持質量、繩長不變，增大轉速，根據公式可知，繩對手的拉力將增大，故A 錯誤， B 正確；保持質量、角速度不變，增大繩長，據公式

9、可知，繩對手的拉力將增大，故C 錯誤， D 正確 .（2）根據向心力公式 F向 = m32r,由牛頓第二定律，則有FT=mco 2r；操作二與一相比較：質量、角速度相同，向心力的大小與轉動半徑大小有關；操作三與一相比較：質量、半徑相同，向心力的大小與角速度的大小有關；操作四與一相比較：角速度、半徑相同，向心力大小與質量有關；物理學中此種實驗方法叫控制變量法.該同學受力分析的對象是自己的手，我們實驗受力分析的對象是紙杯，細繩的拉力提供紙杯(包括水)做圓周運動的向心力，指向圓心.細繩對手的拉力與 “向心力”大小相等、方向相反，背離圓心.二、影響向心力大小因素的定量研究 他2用如圖5所示的裝置可以探

10、究做勻速圓周運動的物體需要的向心力的大小與哪些因素 有關.圖5(1)本實驗采用的科學方法是 .A.控制變量法B.累積法C.微元法D.放大法(2)圖示情景正在探究的是 .A.向心力的大小與半徑的關系B.向心力的大小與線速度大小的關系C.向心力的大小與角速度大小的關系D.向心力的大小與物體質量的關系(3)通過本實驗可以得到的結果是 .A.在質量和半徑一定的情況下，向心力的大小與角速度成正比B.在質量和半徑一定的情況下，向心力的大小與線速度的大小成正比C.在半徑和角速度一定的情況下，向心力的大小與質量成正比D.在質量和角速度一定的情況下，向心力的大小與半徑成反比答案(1)A(2)D (3)C解析(1

11、)在題圖裝置中，控制半徑、角速度不變，只改變質量，來研究向心力大小與質量之間的關系，故采用控制變量法，A正確.(2)控制半徑、角速度不變，只改變質量，來研究向心力大小與質量之間的關系，D正確.(3)通過控制變量法，得到的結果為在半徑和角速度一定的情況下，向心力的大小與質量成正比，C正確.【例31 一物理興趣小組利用學校實驗室的數字實驗系統(tǒng)探究物體做圓周運動時向心力大小 與角速度、半徑的關系.在保證重物的質量 m和做圓周運動的角速度w不變的情況下，改變重物做圓周運動的半徑 r,得到幾組向心力大小 F與半徑r的數據，記錄到表 1中.表1力F與半徑r的測量數據次數12345半徑r/mm5060708

12、090力F/N5.466.557.648.749.83在保證重物的質量 m和做圓周運動的半徑 r不變的情況下，改變重物的角速度 3得到幾組力F和角速度3的數據，記錄到表 2中.表2力F與角速度的測量數據次數12345角速度 w/(rad s：1)6.89.311.014.421.8力F/N0.098 30.226 60.282 10.458 31.080 7(1)根據上面的測量結果，分別在圖6和圖7中作出F r圖線和F 3圖線.圖7圖7(2)若作出的F3圖線不是直線，可以嘗試作F1圖線，試在圖8中作出F32圖線.100200/#500 dj7frjd- s(3)通過以上實驗探究可知，向心力與轉

13、動半徑成 ,與角速度的平方成答案(2)正比 正比|達標檢測 校測評價達標過關.某同學為感受向心力的大小與哪些因素有關，做了一個小實驗：繩的一端拴一小球，手牽著在空中甩動，使小球在水平面內做圓周運動（如圖9所示），則下列說法中正確的是 （）圖9A.保持繩長不變，增大角速度，繩對手的拉力將不變 B.保持繩長不變，增大角速度，繩對手的拉力將增大 C.保持角速度不變，增大繩長，繩對手的拉力將不變D.保持角速度不變，增大繩長，繩對手的拉力將減小答案 B解析 小球在水平面內做圓周運動時，繩子的拉力提供向心力，由F = mw 2r知，保持繩長不變，增大角速度，繩對手的拉力將增大，故A錯誤，B正確；保持角速度

14、不變，增大繩長,繩對手的拉力將增大，故 C、D錯誤.向心力演示器如圖10所示，轉動手柄1,可使變速塔輪 2和3以及長槽4和短槽5隨之勻速轉動.皮帶分別套在塔輪 2和3上的不同圓盤上，可使兩個槽內的小球分別以幾種不同的角 速度做勻速圓周運動.小球做圓周運動的向心力由橫臂 6的擋板對小球的壓力提供， 球對擋板 的反作用力，通過橫臂的杠桿使彈簧測力套筒7下降，從而露出標尺 8,標尺8上露出的紅白相間等分格子的多少可以顯示出兩個球所受向心力的大小圖10(1)現將小球分別放在兩邊的槽內，為探究小球受到的向心力大小與角速度大小的關系，下列 做法正確的是()A.在小球運動半徑相等的情況下，用質量相同的鋼球做

15、實驗B.在小球運動半徑相等的情況下，用質量不同的鋼球做實驗C.在小球運動半徑不等的情況下，用質量不同的鋼球做實驗D.在小球運動半徑不等的情況下，用質量相同的鋼球做實驗(2)在該實驗中應用了 (選填“理想實驗法” “控制變量法”或“等效替代法”)來探究向心力的大小與質量 m、角速度3和半徑r之間的關系.答案(1)A(2)控制變量法.某興趣小組用如圖11甲所示的裝置與傳感器結合，探究向心力大小的影響因素.實驗時用手撥動旋臂使它做圓周運動，力傳感器和光電門固定在實驗器材上，測量角速度和向心力.(1)電腦通過光電門測量擋光桿通過光電門的時間，并由擋光桿的寬度d、擋光桿通過光電門的時間At、擋光桿做圓周

16、運動的半徑r,自動計算出祛碼做圓周運動的角速度，則計算其角速度的表達式為.(2)圖乙中取兩條曲線為相同半徑、不同質量下向心力與角速度的關系圖線，由圖可知， 曲線對應的祛碼質量 (選填“大于”或“小于”)曲線對應的祛碼質量.叩圖11圖11答案-d；（2）小于 rAt解析（1）祛碼轉動的線速度 v = -dt由3=2，計算得出co=rdt（2）若保持角速度和半徑都不變，則質點做圓周運動的向心加速度不變，由牛頓第二定律F =ma可知，質量大的物體需要的向心力大,所以曲線對應的祛碼質量小于曲線ma可知，質量大的物體需要的向心力大,所以曲線對應的祛碼質量小于曲線對應的祛碼質量.如圖12甲所示是一個研究向心力與哪些因素有關的DIS實驗裝置的示意圖，其中做勻速圓周運動的圓柱體的質量為m,放置在未畫出的圓盤上，圓周軌道的半徑為r,力電傳感器測定的是向心力，光電傳感器測定的是圓柱體的線速度，表格中是所得數據，圖乙為F v圖b3Ob3O圖12v/(m s, 1)11.522.53F/N0.8823.55.57.9(1)數據表格和圖乙中的三個圖象是在用實驗探究向心力F和圓柱體線速度v的關系時，保持圓柱體質量不變、半徑 r=0.1 m的條件下得到的.研究圖象后，可得出向心力 F和圓柱體線 速度v的關系式.