第六章 2．向心力 第1课时　实验：探究向心力大小的表达式（教师用书）-2022-2023学年新教材高中物理必修第二册【金版新学案】同步导学（人教版2019）

2． 向心力 第1课时　实验：探究向心力大小的表达式 【核心素养目标】 物理观念 知道什么是向心力及其作用，知道它是根据力的作用效果命名的。 科学思维 体会向心力的存在。 科学探究 经历设计相关实验的过程，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。 科学态度与责任 体会控制变量法在研究多个物理量关系中的应用。 1．实验目的 (1)学会使用向心力演示器； (2)通过实验探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系。 2．实验仪器 向心力演示器(如图)，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质量一半的铝球)。 3．实验原理 匀速转动手柄1，可以使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球也随着做匀速圆周运动。使小球做匀速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，通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒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。 4．实验步骤及观察结果 (1)调整标尺，使两根标尺起点和套筒上口处于同一水平面上，皮带放在第一挡转速为1∶1的皮带盘处，质量相同的两钢球分别放在两个槽上半径相等的横臂挡板内侧，然后摇动手柄，观察到标尺读数始终相等。 (2)将长槽上钢球由第一挡板内侧移至第二挡板内侧，此时两个质量相同的钢球转动半径之比为2∶1，转动手柄，观察到标尺读数之比为2∶1。 (3)将长槽上的钢球换成铝球，并移至第一挡板内侧，两个金属球质量之比为1∶2，转动手柄，观察到标尺格数之比为1∶2。 (4)把皮带放在第二挡转速之比为2∶1处，将长槽上铝球换成钢球，转动手柄，两球角速度之比为2∶1，观察到标尺格数之比为4∶1。 (5)将皮带放在第三挡转速之比为3∶1处，转动手柄，两球角速度之比为3∶1，观察到标尺格数之比为9∶1。 5．实验结论 由步骤(1)及其结果可知，半径、角速度、质量相同时，向心力大小相同； 学生用书第34页 由步骤(2)及其结果可知，角速度、质量相同时，向心力与半径成正比； 由步骤(3)及其结果可知，半径、角速度相同时，向心力与质量成正比； 由步骤(4)(5)及其结果可知，半径、质量相同时，向心力与角速度的二次方成正比。 由以上可推知：Fn＝mω2r。 6．实验误差 (1)污渍、生锈等使金属球质量、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。 7．注意事项 (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。 类型一　教材原型实验 一、实验原理与操作 (2021·广东梅州高一期末)如图所示，是探究向心力大小Fn与质量m、角速度ω和半径r之间关系的实验装置图。转动手柄1，可使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5分别随之匀速转动。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6的杠杆作用使弹簧测力筒7下降，从而露出标尺8。标尺8上露出的红白相间等分格子的多少可以显示出所受向心力的比值。那么： (1)现将两小球分别放在两边的槽内，为了探究小球受到的向心力大小和角速度的关系，下列说法中正确的是________。 A．在小球运动半径相等的情况下，用质量相同的小球做实验 B．在小球运动半径相等的情况下，用质量不同的小球做实验 C．在小球运动半径不等的情况下，用质量相同的小球做实验 D．在小球运动半径不等的情况下，用质量不同的小球做实验 (2)在这个探究向心力大小与质量、角速度和半径之间的关系的实验中，采用了________。 A．理想实验法 B．控制变量法 C．等效替代法 (3)当用两个质量相等的小球做实验，且左边小球的轨道半径为右边小球的2倍时，转动时发现右边标尺露出的红白相间的等分格数为左边的2倍，那么，左边轮塔与右边轮塔之间的角速度之比为______，与皮带连接的左边轮塔与右边轮塔之间的半径之比为________。 解析：　(1)根据F＝mω2r，要研究小球受到的向心力大小与角速度的关系，需控制小球的质量和半径不变，故A正确，B、C、D错误。故选A。 (2)在这个探究向心力大小与质量、角速度和半径之间的关系的实验中，该实验采用的是控制变量法。故选B。 (3)根据F＝mω2r r