第四章 实验六 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系-【金版教程】2024高考物理一轮复习解决方案全书word（新教材）

金版教程 高考科学复习解决方案 物理 实验　探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 1．学会使用向心力演示器。 2．通过实验探究向心力大小与物体的轨道半径、角速度和质量的关系。 1．探究方法：控制变量法。 2．实验思路 (1)控制两物体的质量和转动半径相同，探究向心力大小与转动角速度的定量关系。 (2)控制两物体的质量和转动角速度相同，探究向心力大小与转动半径的定量关系。 (3)控制两物体的转动半径和角速度相同，探究向心力大小与物体质量的定量关系。 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一半的铝球)。 如图所示，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。 1．把两个质量相同的小球分别放在长槽和短槽上，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。记录向心力的大小与角速度的关系。 2．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。记录向心力的大小与转动半径的关系。 3．换成质量不同的球，分别使两球的转动半径相同。调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度也相同。记录向心力的大小与小球质量的关系。 4．重复几次以上实验。 1．表格法 (1)m、r一定 实验次数 F1/格 F2/格 1 2 3 (2)m、ω一定 实验次数 F1/格 F2/格 1 2 (3)r、ω一定 实验次数 F1/格 F2/格 1 2 2.图像法 分别作出Fn­ω2图像、Fn­r图像、Fn­m图像。 1．在质量和轨道半径一定的情况下，向心力的大小与角速度的平方成正比。 2．在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与轨道半径成正比。 3．在轨道半径和角速度一定的情况下，向心力的大小与质量成正比。 1．污渍、生锈等使小球的质量、轨道半径变化，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。 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。 考点一　教材原型实验 例1　(2023·浙江1月选考)“探究向心力大小的表达式”实验装置如图所示。 (1)采用的实验方法是________； A．控制变量法 B．等效法 C．模拟法 (2)在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的____________之比(选填“线速度大小”、“角速度平方”或“周期平方”)；在加速转动手柄过程中，左右标尺露出红白相间等分标记的比值________(选填“不变”、“变大”或“变小”)。 [答案]　(1)A　(2)角速度平方　不变 [解析]　(1)影响向心力大小的因素有质量、转动半径、线速度、角速度等，所以本实验需先控制其他几个因素不变，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。 (2)标尺上露出的红白相间等分标记之比等于两小球所受向心力大小的比值，根据F＝m＝mrω2＝mr，在小球质量m和转动半径r相同的情况下，两小球所受向心力大小的比值即左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的线速度平方之比，或角速度平方之比，或周期平方的倒数之比。皮带连接的左右两变速塔轮轮缘的线速度大小相等，设所连接的左右两变速塔轮半径分别为R左、R右，根据ω＝，可知两小球角速度之比为＝，保持不变，又根据F＝mrω2，可知加速转动手柄的过程中，两小球所受向心力大小的比值不变，即左右标尺露出的红白相间等分标记的比值不变。 [对点跟进训练] 用如图所示的向心力演示器探究向心力大小的表达式。匀速转动手柄，可以使变速塔轮以及长槽和短槽随之匀速转动，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下降，从而露出标尺。根据标尺上露出的红白相间等分标记，可以粗略计算出两个球所受的向心力大小之比。 (1)通过实验得到如下表的数据： 组数 球的质量 m/g