4.7实验：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系-【桂冠物理】2024高三物理一轮复习题型归纳技巧点拨（新高考专用）

第四章 曲线运动 4.7实验：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 【考点预测】 1.研究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的目的、原理、器材 2.研究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的步骤、数据处理 3. 研究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的注意事项、误差分析 【方法技巧与总结】 探究方案一　感受向心力 1．实验原理 如图1所示，在绳子的一端拴一个小沙袋(或其他小物体)，另一端握在手中．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手通过绳对沙袋的拉力． 图1 2．实验步骤 (1)在小物体的质量和角速度不变的条件下，改变小物体做圆周运动的半径进行实验，比较向心力与半径的关系． (2)在小物体的质量和做圆周运动的半径不变的条件下，改变小物体的角速度进行实验，比较向心力与角速度的关系． (3)换用不同质量的小物体，在角速度和半径不变的条件下，重复上述操作，比较向心力与质量的关系． 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．实验思路 本实验探究了向心力与多个物理量之间的关系，因而实验方法采用了控制变量法，如图所示，匀速转动手柄，可以使塔轮、长槽和短槽匀速转动，槽内的小球也就随之做匀速圆周运动，此时小球向外挤压挡板，挡板对小球有一个向内的(指向圆周运动圆心)的弹力作为小球做匀速圆周运动的向心力，可以通过标尺上露出的红白相间等分标记，粗略计算出两球所需向心力的比值． 在实验过程中可以通过两个小球同时做圆周运动对照，分别分析下列情形： (1)在质量、半径一定的情况下，探究向心力大小与角速度的关系． (2)在质量、角速度一定的情况下，探究向心力大小与半径的关系． (3)在半径、角速度一定的情况下，探究向心力大小与质量的关系． 2．实验器材 向心力演示器、质量不等的小球． 3．实验过程 (1)分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的两个小槽中，且小球到转轴(即圆心)距离相同即圆周运动半径相同．将皮带放置在适当位置使两转盘转动，记录不同角速度下的向心力大小(格数)． (2)分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的长槽和短槽两个小槽中，将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度相等、小球到转轴(即圆心)距离不同即圆周运动半径不等，记录不同半径的向心力大小(格数)． (3)分别将两个质量不相等的小球放在实验仪器的两个小槽中，且小球到转轴(即圆心)距离相同即圆周运动半径相等，将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度相等，记录不同质量下的向心力大小(格数)． 4．数据处理 分别作出Fn－ω2、Fn－r、Fn－m的图像，分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系，并得出结论． 5．注意事项 摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个标尺的格数．达到预定格数时，即保持转速恒定，观察并记录其余读数． 【题型归纳目录】 题型一：教材原型实验 题型二：探索创新实验 题型三：光电门法 题型四：传感器法 【题型一】教材原型实验 【典型例题】 例1．如图甲所示是“探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系”的实验装置。转动手柄，可使两侧变速塔轮以及长槽和短槽随之匀速转动。皮带分别套在左、右两塔轮上的不同圆盘上，可使两个槽内的小球分别以各自的角速度做匀速圆周运动，其向心力由挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过杠杆作用使弹簧测力筒下降，从而露出标尺，标尺上露出的红白相间的等分格显示出两个球所受向心力的比值。 （1）在研究向心力的大小F与质量m、角速度和半径r之间的关系时主要用到了物理学中的 A．理想实验法　　B．控制变量法　　C．等效替代法　　D．演绎法 （2）皮带与不同半径的塔轮相连是主要为了使两小球的 不同 A．转动半径r　　B．质量m　　C．角速度　　D．线速度v （3）为了能探究向心力大小的各种影响因素，左右两侧塔轮 （选填“需要”或“不需要”）设置半径相同的轮盘 （4）你认为以上实验中产生误差的原因有 （写出一条即可） （5）利用传感器升级实验装置，用力传感器测压力，用光电计时器测周期进行定量探究。某同学多次改变转速后，记录一组力与对应周期数据，他用图像法来处理数据，结果画出了如图乙所示的图像，该图线是一条过原点的直线，请你分析他的图像的横坐标x表示的物理量是 A． T B． C． D． 练1．某学习小组利用如图所示的装置探究做匀速圆周运动的物体需要的向心力大小与哪些因素有关。    （1）在探究向心力的大小与质量、角速度和半径之间的关系时我们主要用到了物理学中的