6.2向心力—2021-2022学年高中物理同步训练讲义（人教版2019必修第二册）

第六章 圆周运动 6.2向心力 【知识梳理】 一、向心力 1.定义：做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向圆心，这个指向圆心的力叫作向心力. 2.方向：始终沿着半径指向圆心. 3.作用：只改变速度的方向，不改变速度的大小. 4.向心力是根据力的作用效果命名的，它由某个力或者几个力的合力提供. 5.表达式： (1)Fn＝m (2)Fn＝mω2r. 二、变速圆周运动和一般的曲线运动 1.变速圆周运动的合力：变速圆周运动的合力产生两个方向的效果，如图所示. (1)跟圆周相切的分力Ft：改变线速度的大小. (2)指向圆心的分力Fn：改变线速度的方向. 2.一般的曲线运动的处理方法 (1)一般的曲线运动：运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动. (2)处理方法：可以把曲线分割为许多很短的小段，每一小段可以看作圆周运动的一部分，分析质点经过曲线上某位置的运动时，可以采用圆周运动的分析方法来处理. 【基础小练】 1.判断下列说法的正误. (1)做匀速圆周运动的物体的向心力是恒力.(　×　) (2)向心力和重力、弹力一样，都是根据性质命名的.(　×　) (3)向心力可以是物体受到的某一个力，也可以是物体受到的合力.(　√　) (4)变速圆周运动的向心力并不指向圆心.(　×　) (5)做变速圆周运动的物体所受合力的大小和方向都改变.(　√　) 2.如图所示，圆柱形转筒绕其竖直中心轴转动，小物体贴在圆筒内壁上随圆筒一起转动而不滑落.则下列说法正确的是(　　) A.小物体受到重力、弹力、摩擦力和向心力共4个力的作用 B.小物体随筒壁做圆周运动的向心力是由摩擦力提供的 C.筒壁对小物体的摩擦力随转速增大而增大 D.筒壁对小物体的弹力随转速增大而增大 答案　D 解析　小物体随转筒一起做圆周运动，受重力、弹力和静摩擦力共3个力的作用，故选项A错误.水平方向上，弹力指向圆心，提供向心力，据牛顿第二定律有：FN＝mω2r，又ω＝2πn，可知转速越大，角速度越大，小物体所受的弹力就越大；在竖直方向上，小物体所受的重力和静摩擦力平衡，静摩擦力大小不变，故选项B、C错误，D正确. 第1课时　实验：探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系 探究方案一　用绳和沙袋定性研究 1.实验原理 如图(a)所示，绳子的一端拴一个小沙袋(或其他小物体)，将手举过头顶，使沙袋在水平面内做匀速圆周运动，此时沙袋所受的向心力近似等于绳对沙袋的拉力. 2.实验步骤 在离小沙袋重心40 cm的地方打一个绳结A，在离小沙袋重心80 cm的地方打另一个绳结B.同学甲看手表计时，同学乙按下列步骤操作： 操作一　手握绳结A，如图(b)所示，使沙袋在水平面内做匀速圆周运动，每秒转动1周.体会此时绳子拉力的大小. 操作二　手仍然握绳结A，但使沙袋在水平面内每秒转动2周，体会此时绳子拉力的大小. 操作三　改为手握绳结B，使沙袋在水平面内每秒转动1周，体会此时绳子拉力的大小. 操作四　手握绳结A，换用质量较大的沙袋，使沙袋在水平面内每秒转动1周，体会此时绳子拉力的大小. (1)通过操作一和二，比较在半径、质量相同的情况下，向心力大小与角速度的关系. (2)通过操作一和三，比较在质量、角速度相同的情况下，向心力大小与半径的关系. (3)通过操作一和四，比较在半径、角速度相同的情况下，向心力大小与质量的关系. 3.实验结论：半径越大，角速度越大，质量越大，向心力越大. 探究方案二　用向心力演示器定量探究 1.实验原理 向心力演示器如图所示，匀速转动手柄1，可使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动.皮带分别套在塔轮2和3上的不同圆盘上，可使两个槽内的小球分别以几种不同的角速度做匀速圆周运动.小球做圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过横臂的杠杆使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8，根据标尺8上露出的红白相间等分标记，可以粗略计算出两个球所受向心力的比值. 2.实验步骤 (1)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上，小球转动半径和转动角速度相同时，探究向心力与小球质量的关系. (2)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上，小球转动角速度和质量相同时，探究向心力与转动半径的关系. (3)皮带套在塔轮2、3半径不同的圆盘上，小球质量和转动半径相同时，探究向心力与角速度的关系. 探究方案三　利用力传感器和光电传感器探究 1.实验原理与操作 如图所示，利用力传感器测量重物做圆周运动的向心力，利用天平、刻度尺、光电传感器分别测量重物的质量m、做圆周运动的半径r及角速度ω.实验过程中，力传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示力的大小.光电传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示挡光杆挡光的时间，由挡光杆的宽度和挡光杆做圆周运动的半径，可得到重物做圆周运动的角速度. 实验时采用控制变