1.實(shí)驗(yàn)思路本實(shí)驗(yàn)探究了向心力與多個(gè)物理量之間的關(guān)系,因而實(shí)驗(yàn)方法采用了__________,如圖所示,勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,可以使塔輪、長槽和短槽勻速轉(zhuǎn)動(dòng),槽內(nèi)的小球也就隨之做勻速圓周運(yùn)動(dòng),此時(shí)小球向外擠壓擋板,擋板對小球有一個(gè)向內(nèi)的(指向圓周運(yùn)動(dòng)圓心)的彈力作為小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,可以通過 上露出的紅白相間等分標(biāo)記,粗略計(jì)算出兩球所需向心力的比值.
在實(shí)驗(yàn)過程中可以通過兩個(gè)小球同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)對照,分別分析下列情形:(1)在 一定的情況下,探究向心力大小與角速度的關(guān)系.(2)在 一定的情況下,探究向心力大小與半徑的關(guān)系.(3)在 一定的情況下,探究向心力大小與質(zhì)量的關(guān)系.
2.實(shí)驗(yàn)器材向心力演示器、質(zhì)量不等的小球.3.實(shí)驗(yàn)過程(1)分別將兩個(gè)質(zhì)量相等的小球放在實(shí)驗(yàn)儀器的兩個(gè)小槽中,且小球到轉(zhuǎn)軸(即圓心)距離相同即圓周運(yùn)動(dòng)半徑相同.將皮帶放置在適當(dāng)位置使兩轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng),記錄不同角速度下的向心力大小(格數(shù)).
(2)分別將兩個(gè)質(zhì)量 的小球放在實(shí)驗(yàn)儀器的長槽和短槽兩個(gè)小槽中,將皮帶放置在適當(dāng)位置使兩轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 、小球到轉(zhuǎn)軸(即圓心)距離不同即圓周運(yùn)動(dòng)半徑不等,記錄不同半徑的向心力大小(格數(shù)).(3)分別將兩個(gè)質(zhì)量不相等的小球放在實(shí)驗(yàn)儀器的兩個(gè)小槽中,且小球到轉(zhuǎn)軸(即圓心)距離相同即圓周運(yùn)動(dòng)半徑相等,將皮帶放置在適當(dāng)位置使兩轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相等,記錄不同質(zhì)量下的向心力大小(格數(shù)).
4.數(shù)據(jù)處理分別作出 、Fn-r、Fn-m的圖像,分析向心力大小與角速度、半徑、質(zhì)量之間的關(guān)系,并得出結(jié)論.5.注意事項(xiàng)搖動(dòng)手柄時(shí)應(yīng)力求緩慢加速,注意觀察其中一個(gè)標(biāo)尺的格數(shù).達(dá)到預(yù)定格數(shù)時(shí),即保持轉(zhuǎn)速恒定,觀察并記錄其余讀數(shù).
例1 向心力演示器如圖所示,用來探究小球做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系.兩個(gè)變速塔輪通過皮帶連接,勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使長槽和短槽分別隨變速塔輪1和變速塔輪2勻速轉(zhuǎn)動(dòng),槽內(nèi)的鋼球就做勻速圓周運(yùn)動(dòng).橫臂的擋板對鋼球的壓力提供向心力,鋼球?qū)醢宓姆醋饔昧νㄟ^橫臂的杠桿作用使彈簧測力套筒下降,從而露出標(biāo)尺,標(biāo)尺上的紅白相間的等分格顯示出兩個(gè)鋼球所受向心力的比值.如圖是探究過程中某次實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置的狀態(tài).
考向1 實(shí)驗(yàn)原理與操作
(1)在研究向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系時(shí)主要用到了物理學(xué)中的______.A.理想實(shí)驗(yàn)法 B.等效替代法C.控制變量法 D.演繹法
在研究向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系時(shí)主要用到了物理學(xué)中的控制變量法,故選C;
(2)若兩個(gè)鋼球質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑相等,則是在研究向心力的大小F與_____的關(guān)系;A.鋼球質(zhì)量mB.運(yùn)動(dòng)半徑rC.角速度ω
若兩個(gè)鋼球質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑相等,則是在研究向心力的大小F與角速度ω的關(guān)系,故選C;
(3)若兩個(gè)鋼球質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑相等,標(biāo)尺上紅白相間的等分格顯示出鋼球1和鋼球2所受向心力的比值為1∶9,則與皮帶連接的變速塔輪1和變速塔輪2的半徑之比為_____.A.1∶3 B.3∶1C.1∶9 D.9∶1
根據(jù)F=mω2r可知,若兩個(gè)鋼球質(zhì)量m和運(yùn)動(dòng)半徑r相等,標(biāo)尺上紅白相間的等分格顯示出鋼球1和鋼球2所受向心力的比值為1∶9,可知兩輪的角速度之比為1∶3,根據(jù)v=ωR可知,因?yàn)樽兯偎?和變速塔輪2是皮帶傳動(dòng),邊緣線速度相等,則與皮帶連接的變速塔輪1和變速塔輪2的半徑之比為3∶1,故選B.
例2 (2022·重慶市育才中學(xué)高三月考)一物理興趣小組利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)向心力大小與角速度、半徑的關(guān)系.(1)首先,他們讓一砝碼做半徑r為0.08 m的圓周運(yùn)動(dòng),數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過測量和計(jì)算得到若干組向心力F和對應(yīng)的角速度ω,如下表.請你根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在圖上繪出F-ω的關(guān)系圖像.
考向2 數(shù)據(jù)處理與誤差分析
描點(diǎn)繪圖時(shí)盡量讓所描的點(diǎn)落到同一條曲線上,不能落到曲線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布在曲線兩側(cè),如圖所示:
通過對圖像的觀察,興趣小組的同學(xué)猜測F與ω2成正比.可以通過進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換,通過繪出F與ω2關(guān)系圖像來確定他們的猜測是否正確,如果猜測正確,作出的F與ω2的關(guān)系圖像應(yīng)當(dāng)為一條傾斜直線.
(2)通過對圖像的觀察,興趣小組的同學(xué)猜測F與ω2成正比.你認(rèn)為,可以通過進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換,通過繪出________關(guān)系圖像來確定他們的猜測是否正確.
(3)在證實(shí)了F∝ω2之后,他們將砝碼做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r再分別調(diào)整為0.04 m、0.12 m,又得到了兩條F-ω圖像,他們將三次實(shí)驗(yàn)得到的圖像放在一個(gè)坐標(biāo)系中,如圖所示.通過對三條圖線的比較、分析、討論,他們得出F∝ r的結(jié)論,你認(rèn)為他們的依據(jù)是_________________________________________________________________________.
作一條平行于縱軸的輔助線,觀察和圖像的交點(diǎn)中,力的數(shù)值之比是否為1∶2∶3
他們的依據(jù)是:作一條平行于縱軸的輔助線,觀察和圖線的交點(diǎn)中,力的數(shù)值之比是否為1∶2∶3,如果比例成立則說明向心力與物體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑成正比.
(4)通過上述實(shí)驗(yàn),他們得出:做圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的向心力大小F與角速度ω、半徑r的數(shù)學(xué)關(guān)系式是F=kω2r,其中比例系數(shù)k的大小為________,單位是_____.
做圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的向心力大小F與角速度ω、半徑r的數(shù)學(xué)關(guān)系式是F=kω2r,代入(1)題中F-ω的關(guān)系圖像中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值,比如:(20,1.2),此時(shí)半徑為0.08 m,可得:1.2 N=k×202(rad/s)2×0.08 m,解得:k=0.037 5 kg.
例3 一同學(xué)通過圖甲所示的裝置探究物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力與質(zhì)量、軌道半徑及線速度的關(guān)系.滑塊套在光滑水平桿上,隨桿一起繞豎直桿做勻速圓周運(yùn)動(dòng),力傳感器通過一細(xì)繩連接滑塊,用來測量向心力的大小F.滑塊上固定一遮光片,與固定在鐵架臺(tái)上的光電門可測量滑塊的線速度v.該同學(xué)先保持滑塊質(zhì)量和半徑不變,來探究向心力大小與線速度大小的關(guān)系.
考向1 實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新
(1)該同學(xué)采用的實(shí)驗(yàn)方法主要是_____;(填正確答案標(biāo)號)A.理想模型法B.控制變量法C.等效替代法
一個(gè)物理量與多個(gè)物理量有關(guān),研究這個(gè)物理量與每一個(gè)量的關(guān)系,要使用控制變量法,故選B;
(2)用螺旋測微器測量遮光片的寬度d,示數(shù)如圖乙所示,則d=_________________ mm;
1.732(1.731
螺旋測微器的最小分度是0.01 mm,由固定刻度和可動(dòng)刻度分別讀數(shù),所以d=1.5 mm+23.2×0.01 mm=1.732 mm;
(3)該同學(xué)通過改變轉(zhuǎn)速測量多組數(shù)據(jù),記錄力傳感器示數(shù)F,算出對應(yīng)的線速度v及v2的數(shù)值,以v2為橫軸,F(xiàn)為縱軸,作出F-v2圖線,如圖丙所示,若滑塊運(yùn)動(dòng)半徑r=0.2 m,由圖線可得滑塊的質(zhì)量m=_______________ kg(保留2位有效數(shù)字).
例4 某同學(xué)做驗(yàn)證向心力與線速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn).裝置如圖所示,一輕質(zhì)細(xì)線上端固定在力傳感器上,下端懸掛一小鋼球.鋼球靜止時(shí)剛好位于光電門中央.主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:①用游標(biāo)卡尺測出鋼球直徑d;②將鋼球懸掛靜止不動(dòng),此時(shí)力傳感器示數(shù)為F1,用米尺量出線長L; ③將鋼球拉到適當(dāng)?shù)母叨忍幱伸o止釋放,光電門計(jì)時(shí)器測出鋼球的遮光時(shí)間為t,力傳感器示數(shù)的最大值為F2;
考向2 實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新
已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間,請用上述測得的物理量表示:(1)鋼球經(jīng)過光電門時(shí)的線速度表達(dá)式v=______,向心力表達(dá)式F向==____________;
(2)鋼球經(jīng)過光電門時(shí)所受合力的表達(dá)式F合=________;
鋼球經(jīng)過光電門時(shí)只受重力和細(xì)線的拉力,由分析可知,鋼球通過光電門時(shí),細(xì)線的拉力最大,大小為F2,故所受合力為F合=F2-F1.
(3)若在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)F向=F合,則驗(yàn)證了向心力與線速度的關(guān)系.該實(shí)驗(yàn)可能的誤差有:_____________________.(寫出一條即可)
根據(jù)向心力表達(dá)式知,可能在測量擺線長度時(shí)存在誤差.
例5 如圖甲所示,某同學(xué)為了比較不同物體與轉(zhuǎn)盤間動(dòng)摩擦因數(shù)的大小設(shè)計(jì)了該裝置.已知固定于轉(zhuǎn)軸上的角速度傳感器和力傳感器與電腦連接,通過一不可伸長的細(xì)繩連接物塊,細(xì)繩剛好拉直,物塊隨轉(zhuǎn)盤緩慢加速.在電腦上記錄如圖乙所示圖像.換用形狀和大小相同但材料不同的物塊重復(fù)實(shí)驗(yàn),得到物塊a、b、c分別對應(yīng)的三條直線,發(fā)現(xiàn)a與c的縱截距相同,b與c的橫截距相同,且符合一定的數(shù)量關(guān)系.回答下列問題:
考向3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新
(1)物塊沒有看作質(zhì)點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)是否有影響?______(選填“是”或“否”).
物塊的形狀和大小相同,做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同,所以物塊沒有看作質(zhì)點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)沒有影響;
(2)物塊a、b、c的密度之比為________.
當(dāng)物塊隨轉(zhuǎn)盤緩慢加速過程中,物塊所需的向心力先由靜摩擦力提供,當(dāng)達(dá)到最大靜摩擦力后則由繩子的拉力和最大靜摩擦力提供,即:F向=F+μmg=mrω2,所以有F=mrω2-μmg,圖像的斜率為mr,與縱軸的截距為-μmg,根據(jù)圖像知a的斜率ka=mar=1,b的斜率kb=mbr=1,c的斜率kc=mcr= ,所以a、b、c的質(zhì)量之比為2∶2∶1,因?yàn)轶w積相同,所以物塊a、b、c的密度之比為2∶2∶1.
(3)物塊a、b、c與轉(zhuǎn)盤之間的動(dòng)摩擦因數(shù)之比為________.
由圖像知a的縱截距-μamag=-1,b的縱截距-μbmbg=-2,c的縱截距-μcmcg=-1,結(jié)合質(zhì)量之比得到物塊a、b、c與轉(zhuǎn)盤之間的動(dòng)摩擦因數(shù)之比為1∶2∶2.
為了單獨(dú)探究向心力大小跟小球質(zhì)量的關(guān)系,需要控制轉(zhuǎn)速n和運(yùn)動(dòng)半徑r不變,所以需要采用控制變量法;
1.某同學(xué)利用如圖所示的向心力演示器定量探究勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力大小F跟小球質(zhì)量m、轉(zhuǎn)速n和運(yùn)動(dòng)半徑r之間的關(guān)系.(1)為了單獨(dú)探究向心力大小跟小球質(zhì)量的關(guān)系,必須用__________法;
標(biāo)尺上紅白相間等分格子的多少可以顯示小球所受向心力的大小,所以通過標(biāo)尺上紅白相間等分格數(shù),即可求得兩個(gè)球所需的向心力大小之比;
(2)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以使長槽和短槽分別隨變速塔輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng),槽內(nèi)的球隨之做勻速圓周運(yùn)動(dòng).這時(shí)我們可以看到彈簧測力套筒上露出標(biāo)尺,通過標(biāo)尺上紅白相間等分格數(shù),即可求得兩個(gè)球所需的________________;
(3)該同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)得到如下表的數(shù)據(jù):
根據(jù)以上數(shù)據(jù),可歸納概括出向心力大小F跟小球質(zhì)量m、轉(zhuǎn)速n和運(yùn)動(dòng)半徑r之間的關(guān)系是:______________________________________________________________________________________________________________________________________(文字表述);
向心力大小F跟小球質(zhì)量m成正比,跟轉(zhuǎn)速n的平方成正比,跟運(yùn)動(dòng)半徑r成正比(或向心力大小F跟小球質(zhì)量m、轉(zhuǎn)速n的平方、運(yùn)動(dòng)半徑r的乘積成正比)
根據(jù)表格中數(shù)據(jù)可知向心力大小F跟小球質(zhì)量m成正比,跟轉(zhuǎn)速n的平方成正比,跟運(yùn)動(dòng)半徑r成正比(或向心力大小F跟小球質(zhì)量m、轉(zhuǎn)速n的平方、運(yùn)動(dòng)半徑r的乘積成正比);
實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問題是難以保證小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)速難按比例調(diào)節(jié)或露出格子數(shù)(或力的讀數(shù))不穩(wěn)定,難定量化.
(4)實(shí)驗(yàn)中遇到的問題有:______________________________________________________________________________________(寫出一點(diǎn)即可).
難以保證小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)速難按比例調(diào)節(jié)或露出格子數(shù)(或力的讀數(shù))不穩(wěn)定,難定量化
2.一物理興趣小組利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)向心力大小與角速度、半徑的關(guān)系.在保證重物的質(zhì)量m和做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度ω不變的情況下,改變重物做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r,得到幾組向心力大小Fn與半徑r的數(shù)據(jù),記錄到表1中.表1 向心力大小Fn與半徑r的測量數(shù)據(jù)
在保證重物的質(zhì)量m和做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r不變的情況下,改變重物的角速度ω,得到幾組向心力大小Fn和角速度ω的數(shù)據(jù),記錄到表2中.表2 向心力大小Fn與角速度ω的測量數(shù)據(jù)
(1)根據(jù)上面的測量結(jié)果,分別在圖中作出Fn-r圖線和Fn-ω圖線.
根據(jù)描點(diǎn)作圖,兩圖像如下:
(2)若作出的Fn-ω圖線不是直線,可以嘗試作Fn-ω2圖線,試在圖中作出Fn-ω2圖線.
通過換算,可得Fn-ω2圖線
(3)通過以上實(shí)驗(yàn)探究可知,向心力大小與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑成________,與角速度的平方成________.
通過以上圖像可知,向心力大小與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑成正比,與角速度的平方成正比.
3.如圖所示是“DIS向心力實(shí)驗(yàn)器”,當(dāng)質(zhì)量為m的砝碼隨旋轉(zhuǎn)臂一起在水平面內(nèi)做半徑為r的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),所需的向心力可通過牽引桿由力傳感器測得,旋轉(zhuǎn)臂另一端的擋光桿(擋光桿的擋光寬度為Δs,旋轉(zhuǎn)半徑為R)每經(jīng)過光電門一次,通過力傳感器和光電門就同時(shí)獲得一組向心力大小F和角速度ω的數(shù)據(jù).(1)某次旋轉(zhuǎn)過程中擋光桿經(jīng)過光電門時(shí)的遮光時(shí)間為Δt,則角速度ω=________.
(2)以F為縱坐標(biāo),以______ 為橫坐標(biāo),可在坐標(biāo)紙中描出數(shù)據(jù)點(diǎn)作一條直線,該直線的斜率為k=________.(用上述已知量的字母表示)
根據(jù)向心力公式有F=mω2r
4.(2022·山東濱州市模擬)某同學(xué)為探究圓周運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律設(shè)計(jì)如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置,在支架上固定一個(gè)直流電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定一拉力傳感器,傳感器正下方用細(xì)線連接一個(gè)小球.在裝置側(cè)面連接一位置可以調(diào)節(jié)的電子計(jì)數(shù)器,實(shí)驗(yàn)操作如下:①電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),記錄拉力傳感器的示數(shù)為F;②閉合電源開關(guān),穩(wěn)定后,小球在水平面做勻速圓周運(yùn)動(dòng),記錄此時(shí)拉力傳感器的示數(shù)為2F;③穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器的位置,當(dāng)小球第一次經(jīng)過離計(jì)數(shù)器最近的A點(diǎn)時(shí)開始計(jì)數(shù),并記錄為1次,記錄小球n次到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)間t;④切斷電源,整理器材.
請回答下列問題:(1)小球運(yùn)動(dòng)的周期為________;
小球的重力G=F=mg
(2)小球運(yùn)動(dòng)的向心力大小為________;
(3)小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為_________(用F、t、n、重力加速度g表示).
5.利用如圖所示裝置驗(yàn)證向心加速度大小an與線速度大小v的關(guān)系.四分之一圓弧軌道固定在水平桌面上,末端與上表面很小的壓力傳感器表面相切,水平地面上依次鋪放好木板、白紙、復(fù)寫紙.將小球從圓弧軌道某一點(diǎn)由靜止釋放,經(jīng)軌道末端飛出,落到鋪著復(fù)寫紙和白紙的木板上,在白紙上留下點(diǎn)跡,由同一位置重復(fù)釋放幾次,記錄每次壓力傳感器的示數(shù);改變小球在圓弧軌道上的釋放位置,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟.(當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間)
(1)為了完成實(shí)驗(yàn),下列操作正確的是________.A.必須選擇光滑的圓弧軌道B.固定圓弧軌道時(shí),末端必須水平C.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選擇密度小的小球D.確定小球在白紙上的落點(diǎn)時(shí),用盡可能小的圓把所有落點(diǎn)圈住,圓心 即為平均落點(diǎn)
這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向心加速度大小an與線速度大小v的關(guān)系,而線速度大小v由平拋運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行測量,不用考慮圓弧軌道是否光滑,故A錯(cuò)誤;線速度大小v由平拋運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行測量,平拋運(yùn)動(dòng)要求初速度沿水平方向,所以固定圓弧軌道時(shí),末端必須水平,故B正確;實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選擇密度大的小球,可以減小空氣阻力的影響,故C錯(cuò)誤;確定小球在白紙上的落點(diǎn)時(shí),用盡可能小的圓把所有落點(diǎn)圈住,圓心即為平均落點(diǎn),這樣可以減小實(shí)驗(yàn)的偶然誤差,故D正確.
(2)某次實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的壓力傳感器示數(shù)為F,并測出小球的質(zhì)量為m,小球的向心加速度大小an=________.
(3)實(shí)驗(yàn)除了記錄壓力傳感器示數(shù)F,測量小球的質(zhì)量m外,還需要測量軌道末端距地面的高度h、水平位移x、圓弧軌道半徑R,則要驗(yàn)證向心加速度大小an與線速度大小v的關(guān)系,只需要驗(yàn)證____________表達(dá)式即可(用測量的數(shù)據(jù)表示).

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高考物理一輪復(fù)習(xí)第4章實(shí)驗(yàn)6探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系課件:

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新高考物理一輪復(fù)習(xí)精品課件第4章實(shí)驗(yàn)6探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系(含解析):

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新高考物理一輪復(fù)習(xí)課件  第4章 實(shí)驗(yàn)6 探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系

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