適用于新高考新教材備戰(zhàn)2025屆高考物理一輪總復(fù)習(xí)第4章拋體運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)第6講實(shí)驗(yàn)探究向心力大小與半徑角速度質(zhì)量的關(guān)系課件

第6講實(shí)驗(yàn)探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系強(qiáng)基礎(chǔ)固本增分研考點(diǎn)精準(zhǔn)突破目錄索引

強(qiáng)基礎(chǔ)固本增分一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄肯蛐牧Υ笮∨c物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑之間的定量關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)思路采用控制變量法探究(1)使兩物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑相同,探究向心力的大小跟轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度的定量關(guān)系;(2)使兩物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相同,探究向心力的大小跟轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑的定量關(guān)系;(3)使兩物體轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相同,探究向心力的大小跟物體質(zhì)量的定量關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)器材

可由兩塔輪的半徑關(guān)系得到小球的角速度之比向心力演示器,見(jiàn)下圖。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1時(shí),變

速塔輪2和3就隨之轉(zhuǎn)動(dòng),放在長(zhǎng)槽4和短槽5中的小球A和B都隨之做圓周運(yùn)動(dòng)。橫臂6的擋板推壓小球,給小球提供了做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。小球?qū)醢宓姆醋饔昧?通過(guò)橫臂的杠桿作用使彈簧測(cè)力套筒7下降,從而露出標(biāo)尺8。根據(jù)標(biāo)尺8上露出的紅白相間等分標(biāo)記,可以粗略計(jì)算出兩小球所受向心力之比。

不需要測(cè)量具體的數(shù)值大小四、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(1)安裝并調(diào)試向心力演示器:在裝置靜止時(shí),旋動(dòng)兩測(cè)力部分標(biāo)尺的調(diào)零螺母,使兩套管的上沿都與標(biāo)尺頂端對(duì)齊。(2)把兩個(gè)質(zhì)量相同的小球放在長(zhǎng)槽和短槽上,使它們的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑相同,調(diào)整塔輪上的皮帶,使兩小球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度之比分別為1∶1、1∶2和1∶3,分別讀出兩小球所受的向心力大小,將結(jié)果填入設(shè)計(jì)的表格。(3)把兩個(gè)質(zhì)量相同的小球放在長(zhǎng)槽和短槽上,使半徑之比為2∶1;調(diào)整塔輪上的皮帶,使兩個(gè)小球的角速度相同,分別讀出兩小球所受的向心力大小,將結(jié)果填入設(shè)計(jì)的表格。(4)把兩個(gè)質(zhì)量不同的小球放在長(zhǎng)槽和短槽上,使兩球的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑相同,調(diào)整塔輪上的皮帶,使兩個(gè)小球的角速度相同,分別讀出兩小球所受的向心力大小,將結(jié)果填入設(shè)計(jì)的表格。分析與論證:(1)分析表格,發(fā)現(xiàn)F跟ω的二次方成正比。(2)分析表格,發(fā)現(xiàn)F跟r成正比。(3)分析表格,發(fā)現(xiàn)F跟m成正比。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力跟物體的質(zhì)量成正比,跟半徑成正比,跟角速度的二次方成正比。五、探究總結(jié)1.通過(guò)探究發(fā)現(xiàn),向心力跟角速度的二次方成正比。2.認(rèn)識(shí)了向心力演示器的巧妙之處,在于利用兩個(gè)塔輪半徑的不同獲得兩個(gè)塔輪角速度之比,從而克服了直接測(cè)量角速度的困難。3.進(jìn)一步體會(huì)了一種重要的研究方法:控制變量法。4.向心力演示器提供了兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng),通過(guò)兩運(yùn)動(dòng)的對(duì)比,來(lái)探究向心力跟三個(gè)因素之間的關(guān)系。這里還隱含著一種重要的研究方法——對(duì)比實(shí)驗(yàn)法?！獭萄锌键c(diǎn)精準(zhǔn)突破考點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)考向一

實(shí)驗(yàn)原理與操作典題1(2023浙江1月選考)“探究向心力大小的表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。(1)采用的實(shí)驗(yàn)方法是_____。

A.控制變量法B.等效法C.模擬法(2)在小球質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑相同的情況下,逐漸加速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄到一定速度后保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)左右標(biāo)尺露出的紅白相間等分標(biāo)記的比值等于兩小球的___________

(選填“線速度大小”“角速度二次方”或“周期二次方”)之比;在加速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄過(guò)程中,左右標(biāo)尺露出紅白相間等分標(biāo)記的比值________(選填“不變”“變大”或“變小”)。

A角速度二次方不變解析

(1)本實(shí)驗(yàn)先控制其他幾個(gè)因素不變,集中研究其中一個(gè)因素變化所產(chǎn)生的影響,采用的實(shí)驗(yàn)方法是控制變量法。(2)標(biāo)尺上露出的紅白相間的等分格數(shù)之比為兩個(gè)小球所受向心力的比值,根據(jù)F=mrω2可知,比值等于兩小球的角速度二次方之比。小球質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑相同的情況下,由于兩球線速度相同,根據(jù)

可知兩球角速度相同;又根據(jù)F=mrω2可知,向心力之比為1∶1,逐漸加大手柄的轉(zhuǎn)速,左右標(biāo)尺露出的格數(shù)之比不變。考向二

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理典題2(2023湖南永州模擬)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系,轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使長(zhǎng)槽和短槽分別隨變速塔輪1和變速塔輪2勻速轉(zhuǎn)動(dòng),槽內(nèi)的小球就隨槽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。橫臂的擋板對(duì)小球的壓力提供向心力,小球?qū)醢宓姆醋饔昧νㄟ^(guò)橫臂的杠桿作用使彈簧測(cè)力筒下降,從而露出標(biāo)尺,標(biāo)尺上黑白相間的等分格顯示出兩個(gè)小球所受向心力的大小關(guān)系。(1)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的定性分析可以得到:在小球質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑一定的情況下,小球做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度越大,需要的向心力就越

(選填“大”或“小”);

大(2)由更精確的實(shí)驗(yàn)可得向心力的表達(dá)式為F=mrω2。在某次探究實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)a、b兩個(gè)完全相同的小球轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑相等時(shí),圖中標(biāo)尺上黑白相間的等分格顯示出a、b兩個(gè)小球所受向心力的比值為1∶4,由此表達(dá)式可求得與皮帶連接的變速塔輪1與塔輪2對(duì)應(yīng)的半徑之比為

。

2∶1解析

(1)由F=mω2r可知,在小球質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑一定的情況下,小球做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度越大,受到的向心力就越大。(2)根據(jù)F=mω2r,兩球的向心力之比為1∶4,當(dāng)半徑和質(zhì)量相等時(shí),則轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度之比為1∶2,因?yàn)榭科鲃?dòng),變速塔輪邊緣的線速度大小相等,根據(jù)v=rω知,與皮帶連接的變速塔輪1與塔輪2對(duì)應(yīng)的半徑之比為2∶1?？键c(diǎn)二實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新考向一

實(shí)驗(yàn)思路的創(chuàng)新典題3

某同學(xué)用如圖所示裝置設(shè)計(jì)了探究向心力與質(zhì)量、半徑關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。水平桿光滑,豎直桿與水平桿鉸合在一起,互相垂直,繞過(guò)定滑輪的細(xì)線兩端分別與物塊和力傳感器連接。(1)探究向心力與質(zhì)量關(guān)系時(shí),讓物塊1、2的質(zhì)量不同,測(cè)出物塊1、2的質(zhì)量分別為m1、m2,保持

相同,轉(zhuǎn)動(dòng)豎直桿,測(cè)出不同轉(zhuǎn)動(dòng)角速度下兩力傳感器的示數(shù)F1、F2,測(cè)出多組F1、F2,作出F1-F2圖像,如果作出的圖像是過(guò)原點(diǎn)的直線,且圖像的斜率等于

,則表明在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向心力與質(zhì)量成正比。

物塊到豎直桿的距離

(2)探究向心力與半徑關(guān)系時(shí),讓物塊1、2的

相同,測(cè)出物塊1和物塊2到轉(zhuǎn)軸的距離分別為r1、r2,轉(zhuǎn)動(dòng)豎直桿,測(cè)出不同轉(zhuǎn)動(dòng)角速度下兩力傳感器的示數(shù)F1、F2,測(cè)出多組F1、F2,作出F1-F2圖像,如果作出的圖像是過(guò)原點(diǎn)的直線,且圖像的斜率等于

,則表明在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向心力與半徑成正比。

質(zhì)量

考向二

實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新典題4(2024遼寧大連模擬)某實(shí)驗(yàn)小組用力傳感器和光電門(mén)等器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),探究向心力與線速度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示,半徑為R的半圓弧體固定在水平面上,在圓弧的最低點(diǎn)的小凹槽里安裝一個(gè)力傳感器(與圓弧面平滑相接),用來(lái)測(cè)量小球運(yùn)動(dòng)到圓弧最低點(diǎn)時(shí)對(duì)半圓弧體的壓力大小,圓弧最低點(diǎn)的側(cè)面安裝光電門(mén),可以記錄小球經(jīng)過(guò)圓弧最低點(diǎn)時(shí)的擋光時(shí)間。已知小球的質(zhì)量為m,重力加速度的大小為g。(1)實(shí)驗(yàn)前先測(cè)量出小球直徑為d。將小球在圓弧面上某一位置由靜止釋放,記錄力傳感器的示數(shù)F1和小球的擋光時(shí)間t1,則小球經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)小球的線速度大小v1=

(用d、t1表示)。

(2)改變小球在圓弧上的釋放位置,多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得小球的擋