实验3 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系-2023-2024学年高一物理必修2实验报告册（人教版）

1． 定性感知向心力的大小与哪些因素有关。 2． 学会使用向心力演示器。 3． 探究向心力大小与半径、 角速度、 质量的定量关系。 实验方法 控制变量法。 实验方案 1． 用细绳和物体定性感知向心力的大小。 （ 1 ） 实验原理： 如图 3-1 所示， 细线穿在圆珠笔的杆中， 一端拴住小物体， 另一端用一只手牵住， 另一只手抓住圆珠笔 杆并用力转动， 使小物体做圆周运动， 可近似地认为作用在小 物体上的细线的拉力提供了圆周运动所需的向心力， 而细线的 拉力可用牵住细线的手的感觉来判断。 （ 2 ） 器材： 质量不同的小物体若干， 空心圆珠笔杆， 细线 （长约 60 cm ）。 （ 3 ） 实验过程： 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。 ② 在小物体的质量和做圆周运动的半径不变的条件下， 改变物体的角速度进 行实验。 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。 探究向心力大小与半径、 角速度、质量的关系 棕 F r 1 r 2 图 3-1 实验三 探究向心力大小与半径、 角速度、 质量的关系 实验三 实验日期 年 月 日 实验目的 17 学生实验报告册 物理 必修 第二册 （人教版） （ 4 ） 结论： 半径越大， 角速度越大， 质量越大， 向心力越大。 2． 用向心力演示器定量探究。 （ 1 ） 实验原理 如图 3-2 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。 这时， 小球向外挤压挡板， 挡板对小球的反作 用力提供了小球做匀速圆周运动的向心力。 同时， 小 球压挡板的力使挡板另一端压缩弹簧测力套筒里的弹 簧， 弹簧的压缩量可以从标尺上读出， 该读数显示了 向心力大小。 （ 2 ） 器材： 向心力演示器。 （ 3 ） 实验过程 ① 把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上， 使它们的转动半径相同。 调整 塔轮上的皮带， 使两个小球的角速度不一样， 探究向心力的大小与角速度的关系。 ② 保持两个小球质量不变， 增大长槽上小球的转动半径。 调整塔轮上的皮 带， 使两个小球的角速度相同， 探究向心力的大小与半径的关系。 ③ 换成质量不同的球， 分别使两球的转动半径相同。 调整塔轮上的皮带， 使 两个小球的角速度也相同， 探究向心力的大小与质量的关系。 ④ 重复几次以上实验。 （ 4 ） 数据处理 ①m 、 r 一定 ②m 、 ω 一定 图 3-2 序号 1 2 3 4 5 6 F 向 ω ω 2 向心力演示器 序号 1 2 3 4 5 6 F 向 r 18 ③r 、 ω 一定 ④ 分别作出 F 向 －ω 2 、 F 向 －r 、 F 向 －m 的图像。 ⑤ 实验结论 a． 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。 b． 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。 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。 注意事项 1． 定性感知实验中， 小物体受到的重力与拉力相比可忽略。 2． 使用向心力演示器时应注意： （ 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。 分析与结论 一、 影响向心力大小因素的定性分析 例 1 如图 3-3 所示， 同学们分小组探究影响向心力大 小的因素。 同学们用细绳系一纸杯 （杯中有 30 mL 的水） 在 空气中甩动， 使杯在水平面内做圆周运动， 来感受向心力。 （ 1 ） 下列说法中正确的是 （ ） A． 保持质量、 绳长不变， 增大转速， 绳对手的拉力将不变 B． 保持质量、 绳长不变， 增大转速， 绳对手的拉力将增大 C． 保持质量、 角速度不变， 增大绳长， 绳对手的拉力将不变 D． 保持质量、 角速度不变， 增大绳长， 绳对手的拉力将增大 （ 2 ） 如图甲， 绳离杯心 40 cm 处打一结点 A ， 80 cm 处打一结点 B ， 学习小 组中一名同学用手表计时， 另一名同学操作， 其余同学记录实验数据： 操作一： 手握绳结 A ， 使杯在水平方向每秒运动 1 周， 体会向心力的大小。 图 3-3 A B r 甲 乙 序号 1 2 3 4 5 6 F 向 m 探究向心力大小与半径、 角速度、 质量的关系 实验三 19 学生实验报告册 物理 必修 第二册 （人教版） 操作二： 手握绳结 B ， 使杯在水平方向每秒运动 1 周， 体会向心力的大小。 操作三： 手握绳结 A ， 使杯在水平方向每秒运动 2 周， 体会向心力的大小。 操作四： 手握绳结 A ， 再向杯中添加 30 mL