专题六 探究影响向心力大小的因素—2021届高中物理一轮复习暑假专题学案(实验)

一轮复习暑假实验专题六---探究影响向心力大小的因素

一、实验目的

1.定性感知向心力的大小与什么因素有关。

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。

实验方法:控制变量法

二、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,提供了物体做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。

(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

序号 1 2 3 4 5 6

F

向

ω

ω2

②m、ω一定

序号 1 2 3 4 5 6

F

向

r

③r、ω一定

序号 1 2 3 4 5 6

F

向

m

④分别作出F

向-ω2、F

向

-r、F

向

-m的图象。

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。

三、注意事项

1.在定性感知实验中,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。

课堂练习

1.用如图所示的装置来探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。两个变速塔轮通过皮带连接,转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮匀速转动,槽内的钢球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对钢球的压力提供向心力,钢球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力筒下降,从而露出标尺,标尺上的黑白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比值。

(1)在研究向心力的大小F与质量m的关系时,要保持相同。

A.ω和r

B.ω和m

C.m和r

D.m和F

(2)如果两个钢球质量和半径相等,则是在研究向心力的大小F与的关系。

A.质量m

B.半径r

C.角速度ω

2.如图所示,左图为“向心力演示器验证向心力公式”的实验示意图,右图为俯视图。图中A、B槽分别与a、b轮同轴固定,且a、b轮半径相同。a、b两轮在皮带的带动下匀速转动。

(1)两槽转动的角速度ω

A ω

B

。(选填“>”“=”或“<”)

(2)现有两质量相同的钢球,①球放在A槽的边缘,②球放在B槽的边缘,它们到各自转轴的距离之比为2∶1。则钢球①、②的线速度之比为;受到的向心力之比为。

3.如左图为探究向心力跟质量、半径、角速度关系式的实验装置,金属块放置在转台上,电动机带动转台做圆周运动,改变电动机的电压,可以改变转台的转速,光电计时器可以记录转台每转一圈的时间,金属块被约束在转台的凹槽中,只能沿半径方向移动,且跟转台之间的摩擦力可以忽略。

(1)某同学为了探究向心力跟角速度的关系,需要控制和两个变量保持不变,改变转台的转速,对应每个转速由读出金属块受到的拉力,由光电计时器读出转动的周期T,计算出转动的角速度ω=。

(2)在上述实验中,该同学多次改变转速后,记录一组力与对应周期的数据,他用图象法来处理数据,结果画出了如右图所示的图象,图线是一条过原点的直线,请你分析他的图象横坐标x表示的物理量是,国际单位是。

(3)为了验证向心力跟半径、质量的关系,还需要用到的实验器材有和。

4.如图所示,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)(多选)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,学习小组中一位同学用手表计时,另一位同学操作,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。

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的水,使杯在水平方向每秒运动1周,体会向心力的大小。

①操作二与操作一相比较:质量、角速度相同,向心力的大小与转动半径大小有关。

操作三与操作一相比较:质量、半径相同,向心力的大小与角速度的大小有关。

操作四与操作一相比较: 相同,向心力大小与有关。

②物理学中此种实验方法叫法。

③小组总结阶段,在空中甩动,使杯在水平面内做圆周运动的同学谈感受时说:“感觉手腕发酸,感觉力的方向不是指向圆心的向心力而是背离圆心的离心力,跟书上说的不一样。”你认为该同学的说法是否正确,为什么?