第四章 实验六 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系-【高考DNA解码】2026年高考物理一轮总复习学生用书word（江苏专用）

实验六　探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 实验类型·全突破 类型1 典例1　解析：(1)在该实验中，通过控制质量、半径、角速度中两个物理量相同，探究向心力与另外一个物理量之间的关系，采用的科学方法是控制变量法。探究小车速度随时间变化规律，利用极限思想计算小车的速度，故A错误；探究两个互成角度的力的合成规律，应用了等效替代法，故B错误；探究加速度与物体受力、物体质量的关系，应用了控制变量法，故C正确；探究平抛运动的特点，例如两球同时落地，两球在竖直方向上的运动效果相同，应用了等效思想，故D错误。故选C。 (2)把两个质量相等的钢球放在B、C位置，探究向心力的大小与半径的关系，应使两球的角速度相同，则需要将传动皮带调至第一层塔轮。 (3)挡光条的线速度大小为v＝ 则滑块P的角速度为ω＝＝。 (4)根据向心力大小公式F＝mrω2 所以F-ω2图线的斜率为k＝mr≈ 解得滑块P质量m≈0.30 kg。 答案：(1)C　(2)一　(3)　(4)0.30 类型2 典例2　解析：(1)挡光杆转动的线速度大小为v＝ 由v＝ωr 因砝码与挡光杆的角速度相同，故砝码做圆周运动的角速度为 ω＝。 (2)由牛顿第二定律可得 F＝ma＝mω2r 若保持角速度和转动半径相同，可知质量大的物体需要的向心力大，所以曲线①对应的砝码质量小于曲线②对应的砝码质量。 答案：(1)　(2)小于 典例3　解析：(1)该游标卡尺的最小分度为 0.1 mm，游标卡尺的读数＝主尺读数＋游标尺的读数，即游标卡尺的读数＝1.8 cm＋0.1 mm×5＝1.85 cm。 (2)钢球悬挂静止不动，此时力传感器示数为F1，则有mg＝F1，故钢球的质量m＝ 钢球通过最低点时的速度为v＝ 根据向心力公式，钢球通过最低点时所需向心力 Fn＝m＝。 (3)钢球通过最低点时，受自身的重力和细线的拉力作用，拉力F2和重力mg的合力提供钢球做圆周运动的向心力，故其通过最低点时所需向心力Fn＝F2－mg＝F2－F1 若等式F2－F1＝成立，则可以验证向心力表达式。 答案：(1)1.85　(2)　(3)F2－F1＝ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 　探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 教材原型实验 1．通过探究发现，向心力跟角速度的二次方成正比。 2．认识了向心力演示器，其巧妙之处在于利用两个塔轮半径的不同获得两个塔轮角速度之比，从而克服了直接测量角速度的困难。 3．进一步体会了一种重要的研究方法：控制变量法。 4．向心力演示器提供了两个圆周运动，通过两运动的对比，来探究向心力跟三个因素之间的关系。这里还隐含着一种重要的研究方法——对比实验法。 5．由向心力公式F＝mω2r可知，在研究向心力的大小F与质量m关系时，要保持其他的物理量不变，其中包括角速度ω与半径r，即保持角速度与半径相同。 6．根据向心力公式F＝m可知，为研究F与r的关系，实验时除保持物体的质量不变外，还应保持不变的物理量是线速度的大小。 [典例1]　(实验原理与操作)(2024·江苏镇江一模)某实验小组做探究影响向心力大小因素的实验： Ⅰ．方案一：用如图甲所示的装置，已知小球在挡板A、B、C处做圆周运动的轨迹半径之比为1∶2∶1，变速塔轮自上而下按如图乙所示三种组合方式，左、右每层半径之比由上至下分别为1∶1、2∶1和3∶1。回答以下问题： (1)本实验所采用的实验探究方法与下列______实验是相同的； A．探究小车速度随时间变化规律 B．探究两个互成角度的力的合成规律 C．探究加速度与物体受力、物体质量的关系 D．探究平抛运动的特点 (2)某次实验中，把两个质量相等的钢球放在B、C位置，探究向心力的大小与半径的关系，则需要将传动皮带调至第______(选填“一”“二”或“三”)层塔轮。 Ⅱ．方案二：如图丙所示装置，装置中竖直转轴固定在电动机的转轴上(未画出)，光滑的水平直杆固定在竖直转轴上，能随竖直转轴一起转动。水平直杆的左端套上滑块P，用细线将滑块P与固定在竖直转轴上的力传感器连接，细线处于水平伸直状态，当滑块随水平直杆一起匀速转动时，细线拉力的大小可以通过力传感器测得。水平直杆的右端最边缘安装了宽度为d的挡光条，挡光条到竖直转轴的距离为D，光电门可以测出挡光条经过光电门所用的时间(挡光时间)。滑块P与竖直转轴间的距离可调。回答以下问题： (3)若某次实验中测得挡光条的挡光时间为Δt，则滑块P的角速度表达式为ω＝______； (4)实验小组保持滑块P质量和运动半径r不变，探究向心力F与角速度ω的关系，作出F-ω2图线如图丁所示，若滑块P运动半径r＝0.3 m，细线的质量和滑块与杆间的摩擦可忽略，由F-ω2图线可得滑块P质量m＝______kg(结果保留2位有效数字)。 [听课记录]___________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 实验拓展与创新 [典例2]　(实验器材创新)(2024·江苏苏州期中)某兴趣小组用如图甲所示的装置与传感器结合，探究向心力大小的影响因素。实验时用手拨动旋臂使它做圆周运动，力传感器和光电门固定在实验器材上，测量角速度和向心力。 (1)电脑通过光电门测量挡光杆通过光电门的时间，并由挡光杆的宽度d、挡光杆通过光电门的时间Δt，可得挡光杆转动的线速度大小v＝______；若挡光杆做圆周运动的半径为r，可得砝码做圆周运动的角速度ω＝______。 (2)图乙中①、②两条曲线为相同半径、不同质量下向心力与角速度的关系图线，由图可知，曲线①对应的砝码质量______(选填“大于”或“小于”)曲线②对应的砝码质量。 [听课记录]___________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ [典例3]　(实验过程创新)(2024·江苏南京高三月考)某同学做验证向心力与线速度关系的实验。装置如图甲所示，一轻质细线上端固定在力传感器上，下端悬挂一小钢球。钢球静止时刚好位于光电门中央，主要实验步骤如下： ①用游标卡尺测出钢球直径d； ②将钢球悬挂静止不动，此时力传感器示数为F1，用刻度尺量出线长L； ③将钢球拉到适当的高度处静止释放，光电门计时器测出钢球的遮光时间为t，力传感器示数的最大值为F2；已知当地的重力加速度大小为g，请用上述测得的物理量表示： (1)游标卡尺测出钢球直径，如图乙所示，则d＝______cm。 (2)根据向心力公式，钢球通过最低点时所需向心力Fn＝______(用题中物理量符号表示)。 (3)若等式___________成立(用题中物理量符号表示)，则可以验证向心力表达式。 [听课记录]___________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 1 / 6 学科网（北京）股份有限公司 $$