第3章 第2节 第2课时 实验：探究影响向心力大小的因素（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（鲁科版2019）

第2课时实验：探究影响向心力大小的因素 (实验课—基于经典科学探究) 一、实验装置 二、实验原理 如图所示，匀速转动手柄，可使塔轮、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。挡板对小球的作用力提供了小球做匀速圆周运动的向心力。同时，小球挤压挡板的力使挡板另一端压缩测力套筒的弹簧，压缩量可从标尺上读出，该读数即显示了向心力的大小。 一、实验步骤　 1．测量质量：分别用天平测量各小球的质量，并做标记。 2．调节两轮角速度：用皮带连接两半径相同的塔轮，以确保运动过程中角速度不变。 3．释放小球：将两质量不相等的小球分别放于长槽和短槽上，调整小球的位置，使两球的转动半径相同。 4．收集数据：转动手柄，观测向心力的大小和质量的关系。 5．改变转动半径：换成两质量相同的小球，分别放于长槽和短槽上，增大长槽上小球的转动半径。转动手柄，观察向心力的大小和半径的关系。 6．改变小球的角速度：将质量相同的两小球分别置于长槽和短槽上，确保两小球转动半径相同，改变皮带连接的两个塔轮，根据两个塔轮半径关系求解小球做圆周运动的角速度关系。 二、数据处理　 1．列F、m数据收集表格 把不同质量的小球放在长槽和短槽内，确保小球的转动半径和角速度相同，把小球的向心力和质量填在表中。 实验序号 1 2 3 4 5 质量m 向心力F 2．作F－m图像的方法 以F为纵坐标、m为横坐标，根据数据作F－m图像，用曲线拟合测量点，找出规律，分析F与m的关系。 3．列F、r数据收集表格 把相同质量的小球分别放在长槽和短槽内，在相同角速度下，将不同转动半径下的向心力填在表中。 实验序号 1 2 3 4 5 转动半径r 向心力F 4．作F－r图像的方法 以F为纵坐标、r为横坐标，根据数据作F－r图像，用曲线拟合测量点，找出规律，分析F与r的关系。 5．列F、ω数据收集表格 把相同质量的小球分别放在长槽和短槽内，使两小球的转动半径相等，将不同角速度下的向心力填在表中。 实验序号 1 2 3 4 5 角速度ω 角速度的平方ω2 向心力F 6.作F－ω2图像的方法 以F为纵坐标、ω2为横坐标，根据数据作F－ω2图像，用曲线拟合测量点，找出规律，分析F与ω2的关系。 7．实验结论 (1)在转动半径和角速度相同时，向心力与质量成正比。 (2)在质量和角速度相同时，向心力与转动半径成正比。 (3)在转动半径和质量相同时，向心力与角速度的平方成正比。 三、误差分析　 1．测量、操作带来的偶然误差 (1)质量测量误差。 (2)半径读数误差。 (3)向心力读数误差。 2．仪器本身带来的系统误差 (1)天平调零误差。 (2)向心力演示器的手柄转动误差(不能保证匀速转动)。 [关键点反思] 1．本实验中怎样保证小球做匀速圆周运动？ 提示：摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个塔轮标尺露出的等分格的格数，达到预定格数时，即保持手柄均匀转动，以此确保小球做匀速圆周运动。 2．本实验中为什么探究向心力与物体的质量m、半径r和角速度ω的关系，而不是探究向心力与物体的质量m、半径r和线速度v的关系？ 提示：角速度相对于线速度测量更方便。 3．为什么研究向心力F与角速度ω关系时，画的不是F－ω图像，而是F－ω2的图像？ 提示：F－ω图像不是线性关系，而用F－ω2的图像能转化为线性关系，更直观地反映出在其他物理量不变的情况下，F与ω2成正比。 考法(一)　实验基本操作 [例1]　如图所示是探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和运动半径r之间的关系的实验装置图，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6、7分别以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8的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过横臂8的杠杆作用使弹簧测力套筒9下降，从而露出标尺10，标尺10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。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，用质量不同的小球做实验 D．在小球运动半径不等的情况下，用质量相同的小球做实验 (2)在该实验中应用了______________________(选填“理想实验法”“控制变量法”或“等效替代法”)来探究向心力的大小与质量m、角速度ω