第二章 第2节 第2课时 实验：探究向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系-【高考领航】2023-2024学年高中物理必修第二册同步核心辅导与测评（教科版）

第2课时　实验：探究向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系 一、实验目的 (1)定性分析向心力大小的影响因素。 (2)学会使用向心力演示器。 (3)探究向心力与质量、角速度、半径的定量关系。 (4)在“探究影响向心力大小与半径、角速度、质量的关系”实验过程中，熟悉控制变量法的应用，提高科学探究的能力。 二、实验器材 1．手柄　2.变速轮塔　3.变速轮塔　4.长槽 5．短槽　6.小球　7.小球　8.横臂　 9.弹簧测力筒　10.标尺　11.传动皮带　12.挡板 三、实验原理与设计 1．本实验采用的科学方法是控制变量法。 2．实验原理 (1)保持运动半径r和角速度ω相同： 用质量m不同的钢球和铝球进行实验，比较向心力的大小与质量m的关系。 (2)保持两个小球质量m和运动半径r相同： 用皮带连接半径不同的变速塔轮进行实验，比较向心力F与角速度ω之间的关系。 (3)保持两个小球质量m和角速度ω相同： 将两球分别放置于长槽和短槽中进行实验，比较向心力F与运动半径r之间的关系。 3．实验设计——各个物理量的测量和调整方法 (1)向心力的测量：通过横臂使弹簧测力筒上下移动，从标尺上的红白相间的等分格显示。 (2)质量的测量：用天平直接测量。 质量的调整：选用不同的钢球和铝球。 (3)轨道半径的测量：根据长、短槽上的刻度读出小球到转轴的距离。 轨道半径的调整：改变小球放置在长、短槽上的位置。 (4)角速度的测量：通过测量变速塔轮的直径确定角速度的比值。 角速度的调整：改变皮带所连接的变速塔轮。 四、实验步骤 1．把皮带放在皮带盘第一挡，此时转速比为1∶1。将质量不同的铝球和钢球分别放在长、短槽上半径相等的横臂挡板内侧，即保持ω和r相同。然后摇动手柄，记录实验数据，研究小球做圆周运动所需向心力F与质量m之间的关系。 2．把皮带放在皮带盘第二挡(第三挡)，此时转速比为1∶2(1∶3)；将质量相同的钢球分别放在长、短槽上半径相等的横臂挡板内侧，即保持m和r相同。然后摇动手柄，记录实验数据，研究小球做圆周运动所需向心力F与角速度ω之间的关系。 3．把皮带放在皮带盘第一挡，此时转速比为1∶1；将长槽上的钢球由第一挡板内侧移到第二挡板，此时两个质量相同的钢球相对转轴的半径之比为2∶1。然后摇动手柄，记录实验数据，研究小球做圆周运动所需向心力F与半径r之间的关系。 4．重复几次以上实验。 五、数据收集与分析 1．列F、m数据收集表 把使用不同质量的小球测出的向心力填在表中 实验序号 1 2 3 4 5 m F 2.列F、ω数据收集表 把小球在不同角速度时测出的向心力填在表中 实验序号 1 2 3 4 5 ω ω2 F 3.列F、r数据收集表 把小球在不同半径时测出的向心力填在表中 实验序号 1 2 3 4 5 r F 4.F为纵坐标，r、m和ω2为横坐标，根据数据作出图像，用曲线拟合测量点，找出规律。 5．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。 六、注意事项 1．实验前要做好横臂支架的安全检查，螺钉是否有松动。 2．标尺格数比应选择最小格数进行，使学生容易看清格数比。如：F1∶F2＝1∶4，可以选择2格和8格，但最好使用1格和4格。 3．转动转台时，应先让一个套筒的标尺达到预定的整数格，然后观察另一个套筒的标尺。 4．实验时，转速应从慢逐渐变快。 　实验原理和操作 　在“探究向心力大小的表达式”实验中，所用向心力演示仪如图1、2所示。图3是部分工作原理示意图：其中轮①、④的半径相同，轮②的半径是轮①的2倍，轮④的半径是轮⑤的2倍，两转臂上黑白格的长度相等。A、B、C为三根固定在转臂上的短臂，可与转臂上做圆周运动的实验球产生挤压，从而提供向心力，图2中的标尺1和2可以显示出两球所受向心力的大小关系。可供选择的实验球有：质量均为2m的球Ⅰ和球Ⅱ，质量为m的球Ⅲ。 (1)为探究向心力与圆周运动轨道半径的关系，实验时应将皮带与轮①和轮________相连，同时应选择球Ⅰ和球________作为实验球； (2)若实验时将皮带与轮②和轮⑤相连，这是要探究向心力与________(填物理量的名称)的关系，此时轮②和轮⑤的这个物理量值之比为________，应将两个实验球分别置于短臂C和短臂________处； (3)本实验采用的实验方法是_________________________________________， 下列实验