(讲义)第3章 第2节 科学探究：向心力-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册(鲁科版2019)

第2节　科学探究：向心力 [核心素养·明目标] 核心素养 学习目标 物理观念 (1)理解向心力和向心加速度的概念。 (2)掌握向心力和向心加速度的计算方法。 (3)准确认识向心力并能找出向心力。 科学思维 能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力；通过实例认识向心力的作用及来源。 科学探究 在“探究向心力大小与半径、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。 科学态度与责任 有主动将所学知识应用到日常生活的意识，能在合作中坚持自己的观点；能体会物理学技术应用对日常生活的影响。 知识点一　向心力 1．定义 做圆周运动的物体一定受到指向圆心的力的作用，这个力称为向心力。 2．方向 始终指向圆心，总是与运动方向垂直。 3．作用效果 向心力只改变速度的方向，不改变速度的大小。 4．来源 可能是弹力、重力、摩擦力或是它们的合力。做匀速圆周运动的物体，向心力就是物体受到的合外力；做非匀速圆周运动的物体，向心力不是物体所受到的合外力。 5．探究影响向心力大小的因素 (1)实验目的：探究做圆周运动的物体所需要的向心力F与其质量m、转动半径r和转动角速度ω之间的关系。 (2)实验器材：向心力演示器(如图)，小球等。 向心力演示器 (3)探究过程 ①m、r相同，改变角速度ω，则ω越大，向心力F就越大。 ②m、ω相同，改变半径r，则r越大，向心力F就越大。 ③ω、r相同，改变质量m，则m越大，向心力F就越大。 (4)结论 物体做圆周运动需要的向心力与物体的质量成正比，与半径成正比，与角速度的二次方成正比。 (5)公式 F＝mrω2或F＝m。 提醒：向心力是效果力，可能是合力，也可能是某个力的分力。 1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)做匀速圆周运动的物体所受到的向心力是恒力。 (×) (2)向心力和重力、弹力、摩擦力一样，是性质力。 (×) (3)向心力可以由某种性质的力来充当，是效果力。 (√) 知识点二　向心加速度 1．定义 做圆周运动的物体受到向心力的作用，存在一个由向心力产生的加速度，这个加速度称为向心加速度。 2．大小 a＝rω2＝。 3．方向 向心加速度的方向时刻与向心力的方向一致，且始终指向圆心。 　如图所示，地球绕太阳做匀速圆周运动，小球绕细绳的另一端在水平面内做匀速圆周运动，请思考： (1)在匀速圆周运动过程中，地球、小球的运动状态发生变化吗？若变化，变化的原因是什么？ 提示：变化。是因为受到的合力不为零，即具有加速度。 (2)向心加速度改变物体的速度大小吗？为什么？ 提示：不改变。因向心加速度始终与速度方向垂直。 2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)匀速圆周运动是加速度不变的运动。 (×) (2)向心加速度描述线速度大小变化的快慢。 (×) (3)匀速圆周运动的物体所受合外力一定指向圆心。 (√) 考点1　向心力 一只老鹰在水平面内盘旋做匀速圆周运动，那么老鹰受几个力的作用？是什么力提供了向心力？ 提示：受重力和空气对它的作用力。这两个力的合力提供了向心力。 物体做圆周运动时，向心力由物体所受力中沿半径方向的力提供。可以由一个力充当向心力；也可以由几个力的合力充当向心力；还可以是某个力的分力充当向心力。 实例 向心力 示意图 用细线拴住的小球在竖直面内转动至最高点时 绳子的拉力和重力的合力提供向心力，F向＝F＋G 用细线拴住小球在光滑水平面内做匀速圆周运动 线的拉力提供向心力，F向＝FT 物体随转盘做匀速圆周运动，且相对转盘静止 转盘对物体的静摩擦力提供向心力，F向＝Ff 小球在细线作用下，在水平面内做圆周运动 重力和细线的拉力的合力提供向心力，F向＝F合 【典例1】　如图所示，有一个水平大圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动，某人站在距圆心为r处的P点不动，下列关于人受力的说法中正确的是(　　) A．人在P点不动，因此不受摩擦力作用 B．人随圆盘做匀速圆周运动，其重力和支持力提供向心力 C．人随圆盘做匀速圆周运动，圆盘对他的静摩擦力提供向心力 D．若使圆盘以较小的转速转动时，人在P点受到的静摩擦力不变 思路点拨：本题可按以下思路进行分析： (1)对人进行受力分析。 (2)分析向心力由什么力提供。 (3)根据公式，明确向心力与转速的关系。 C　[由于人随圆盘做匀速圆周运动，所以一定有指向圆心的向心力，而重力和支持力均在竖直方向上，它们不能充当向心力，因此该人会受到静摩擦力的作用，且静摩擦力充当向心力，选项A、B错误，C正确；由于人随圆盘转动，半径不变，当圆盘的转速变小时，由F＝m(2πn)2r可知，所需向心力变小，受到的静摩擦力变小，选项D错误。] 向心力与合外力判断方法 (1)向心力是按力的作用效果来命名