第3章 第2节第2课时 实验：探究影响向心力大小的因素-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019）

第2课时　实验：探究影响向心力大小的因素 【素养目标】 物理观念 知道什么是向心力及其作用，知道它是根据力的作用效果命名的。 科学思维 体会向心力的存在。 科学探究 经历设计相关实验的过程，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。 科学态度与责任 体会控制变量法在研究多个物理量关系中的应用。 一、实验目的 探究做圆周运动的物体所需向心力F与其质量m、转动半径r和转动角速度ω之间的关系。 二、实验器材 向心力演示器、小球等。 三、实验原理与设计 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力套筒的弹簧，压缩量可从标尺处读出，该读数即显示了向心力的大小。如何研究向心力与物体质量、转动半径以及角速度之间的关系？ 向心力演示器 四、实验步骤 1．把两个质量不同的小球分别放在长槽和短槽上，调整塔轮上的皮带和小球位置，使两球的转动半径和角速度都相同。转动手柄，观察向心力的大小与质量的关系。 学生用书第75页 2.换两个质量相同的小球，使两球的角速度相同。再增大槽上小球的转动半径，使两球的转动半径不同。转动手柄，观察向心力的大小与半径的关系。 3．若要研究向心力的大小与角速度的关系，请按照你设计的实验步骤操作。 五、数据分析及结论 1．m、r一定 序号 1 2 3 4 5 6 F ω ω2 2.m、ω一定 序号 1 2 3 4 5 6 F r 3.r、ω一定 序号 1 2 3 4 5 6 F m 4.分别作出F­ω2、F­r、F­m的图像。 5．实验结论 (1)在质量和半径一定的情况下，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，向心力的大小与半径成正比。 (3)在半径和角速度一定的情况下，向心力的大小与质量成正比。 六、注意事项 1．将横臂紧固螺钉旋紧，以防小球和其他部件飞出而造成事故。 2．摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个测力计的格数，达到预定格数时，即保持转速均匀恒定。 类型一　教材原型实验 一、实验原理与设计 用如图所示的装置可以探究做匀速圆周运动的物体需要的向心力的大小与哪些因素有关。 (1)本实验采用的科学方法是________。 A．控制变量法 B．累积法 C．微元法 D．放大法 (2)图示情景正在探究的是________。 A．向心力的大小与半径的关系 B．向心力的大小与线速度大小的关系 C．向心力的大小与角速度大小的关系 D．向心力的大小与物体质量的关系 (3)通过本实验可以得到的结论是________。 A．在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度成正比 B．在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与线速度的大小成正比 C．在半径和角速度一定的情况下，向心力的大小与质量成正比 D．在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与半径成反比 解析：　(1)探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系，要采用控制变量法探究。故正确选项为A。 (2)实验中，两小球的种类不同，故是保持两小球的转动半径、转动的角速度相同，探究向心力的大小跟物体质量的定量关系。故正确选项为D。 (3)两小球的转动半径、转动的角速度相同，探究向心力的大小跟物体质量成正比。故正确选项为C。 答案：　(1)A　(2)D　(3)C 二、数据处理与分析 一物理兴趣小组利用学校实验室的数字实验系统探究物体做圆周运动时向心力大小与角速度、半径的关系。在保证重物的质量m和做圆周运动的角速度ω不变的情况下，改变重物做圆周运动的半径r，得到几组向心力大小F与半径r的数据，记录到表1中。 表1　向心力F与半径r的测量数据 次数 1 2 3 4 5 半径 r/mm 50 60 70 80 90 向心力 F/N 5.46 6.55 7.64 8.74 9.83 在保证重物的质量m和做圆周运动的半径r不变的情况下，改变重物做圆周运动的角速度ω，得到几组向心力F和角速度ω的数据，记录到表2中。 表2　向心力Fn与角速度ω的测量数据 次数 1 2 3 4 5 角速度ω/(rad·s－1) 6.8 9.3 11.0 14.4 21.8 向心力 F/N 0.98 2.27 2.82 4.58 10.81 (1)根据上面的测量结果，分别在图甲和图乙中作出F ­r图线和F ­ω图线。 (2)若作出的F­ω图线