
1.通過探究發(fā)現(xiàn),向心力跟角速度的二次方成正比。
2.認(rèn)識了向心力演示儀的巧妙之處,在于利用兩個(gè)塔輪半徑的不同獲得兩個(gè)塔輪角速度之比,從而克服了直接測量角速度的困難。
3.進(jìn)一步體會(huì)了一種重要的研究方法:控制變量法。
4.向心力演示儀提供了兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng),通過兩運(yùn)動(dòng)的對比,來探究向心力跟三個(gè)因素之間的關(guān)系。這里還隱含著一種重要的研究方法——對比實(shí)驗(yàn)法。
5.由向心力公式F=mω2r,在研究向心力的大小F與質(zhì)量m關(guān)系時(shí),要保持其他的物理量不變,其中包括角速度ω與半徑r,即保持角速度與半徑相同。
6.根據(jù)向心力公式F=meq \f(v2,r)可知為研究F與r的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)時(shí)除保持物體的質(zhì)量不變外,還應(yīng)保持不變的物理量是線速度的大小。
[題組訓(xùn)練]
1.某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖所示的裝置進(jìn)行“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,可使塔輪、長槽和短槽隨之勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。塔輪至上而下有三層,每層左、右半徑比分別是1∶1、2∶1和3∶1。 左、右塔輪通過皮帶連接,并可通過改變皮帶所處層來改變左、右塔輪的角速度之比。實(shí)驗(yàn)時(shí),將兩個(gè)小球分別放在短槽C處和長槽的A(或B)處,A、C到左、右塔輪中心的距離相等,兩個(gè)小球隨塔輪做勻速圓周運(yùn)動(dòng),向心力大小關(guān)系可由標(biāo)尺露出的等分格的格數(shù)判斷。
(1)該實(shí)驗(yàn)用到的方法是( )
A.理想實(shí)驗(yàn) B.等效替代法
C.微元法 D.控制變量法
(2)在某次實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)把兩個(gè)質(zhì)量相等的小球分別放在A、C位置,將皮帶連接在左、右塔輪半徑之比為2∶1的塔輪上,實(shí)驗(yàn)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí),得到左、右標(biāo)尺露出的等分格數(shù)之比為1∶4。
(3)若將皮帶連接在左、右塔輪半徑之比為3∶1的塔輪上,左、右兩邊塔輪的角速度之比為________,當(dāng)左邊標(biāo)尺露出1個(gè)等分格時(shí),右邊標(biāo)尺露出9個(gè)等分格,則實(shí)驗(yàn)說明________。
[解析] (1)探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系時(shí),每次只改變一個(gè)變量,控制其他量不變,采用的是控制變量法,故A、B、C錯(cuò)誤,D正確。
(3)因用皮帶連接的左、右塔輪邊緣線速度大小相等,皮帶連接的左、右塔輪半徑之比為3∶1,根據(jù)v=ωR 可知,左、右兩邊塔輪的角速度之比為1∶3,又根據(jù)題意知放在A、C兩處的小球質(zhì)量相等,轉(zhuǎn)動(dòng)半徑相等,左邊標(biāo)尺露1個(gè)等分格,右邊標(biāo)尺露出9個(gè)等分格,表明兩球向心力之比為1∶9。此次實(shí)驗(yàn)說明,做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,在質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑一定時(shí),向心力與角速度的平方成正比。
[答案] (1)D (3)1∶3 見解析
2.如圖所示,同學(xué)們分小組探究影響向心力大小的因素。一同學(xué)用細(xì)繩系一個(gè)小沙袋在空氣中甩動(dòng),使小沙袋在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),來感受向心力。
(1)下列說法中正確的是________。
A.保持質(zhì)量、繩長不變,增大轉(zhuǎn)速,繩對手的拉力將不變
B.保持質(zhì)量、繩長不變,增大轉(zhuǎn)速,繩對手的拉力將增大
C.保持質(zhì)量、角速度不變,增大繩長,繩對手的拉力將不變
D.保持質(zhì)量、角速度不變,增大繩長,繩對手的拉力將增大
(2)如圖所示,繩上離小沙袋重心40 cm處打一個(gè)繩結(jié)A,80 cm處打一個(gè)繩結(jié)B,學(xué)習(xí)小組中一位同學(xué)用手表計(jì)時(shí),另一位同學(xué)操作,其余同學(xué)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):
操作一:手握繩結(jié)A,使小沙袋在水平方向每秒運(yùn)動(dòng)1周,體會(huì)向心力的大小。
操作二:手握繩結(jié)B,使小沙袋在水平方向每秒運(yùn)動(dòng)1周,體會(huì)向心力的大小。
操作三:手握繩結(jié)A,使小沙袋在水平方向每秒運(yùn)動(dòng)2周,體會(huì)向心力的大小。
操作四:手握繩結(jié)A,再向小沙袋中添加少量沙子,使小沙袋在水平方向每秒運(yùn)動(dòng)1周,體會(huì)向心力的大小。
①操作二與一相比較:質(zhì)量、角速度相同,向心力的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)________有關(guān);
②操作三與一相比較:質(zhì)量、半徑相同,向心力的大小與________有關(guān);
③操作四與一相比較:角速度、半徑相同,向心力大小與________有關(guān)。
[解析] (1)由題意,根據(jù)向心力公式F向=mω2r與牛頓第二定律,則有T拉=mω2r;保持質(zhì)量、繩長不變,增大轉(zhuǎn)速,ω=2πn,角速度變大,根據(jù)公式可知,繩對手的拉力將增大,故A錯(cuò)誤,B正確;保持質(zhì)量、角速度不變,增大繩長,據(jù)公式可知,繩對手的拉力將變大,故C錯(cuò)誤,D正確。
(2)本實(shí)驗(yàn)采取的方法是控制變量法,操作二與一相比較:質(zhì)量、角速度相同,向心力的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大小有關(guān);操作三與一相比較:質(zhì)量、半徑相同,向心力的大小與角速度的大小有關(guān);操作四與一相比較:角速度、半徑相同,向心力大小與質(zhì)量大小有關(guān)。
[答案] (1)BD (2)半徑大小 角速度的大小 質(zhì)量大小
3.(2023·淮陰中學(xué)模擬預(yù)測)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1上繪出F-ω的關(guān)系圖像。
圖1
(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2所示。通過對三條圖像的比較、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________。
圖2
(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________。
[解析] (1)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:
(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??梢酝ㄟ^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。
(3)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,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)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的向心力F與角速度ω、半徑r的數(shù)學(xué)關(guān)系式是F=kω2r,代入題圖1所畫的圖線中任意一點(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。
[答案] (1)見解析圖 (2)F與ω2 (3)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 (4)0.037 5 kg
實(shí)驗(yàn)拓展與創(chuàng)新
(對應(yīng)學(xué)生用書第109頁)
1.如圖甲所示是某同學(xué)探究做圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受向心力大小與質(zhì)量、軌道半徑及線速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置。圓柱體放置在水平光滑圓盤上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。力傳感器測量向心力F,速度傳感器測量圓柱體的線速度v,該同學(xué)通過保持圓柱體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑不變,來探究向心力F與線速度v的關(guān)系。
圖甲
(1)該同學(xué)采用的實(shí)驗(yàn)方法為________。
A.等效替代法 B.控制變量法
C.理想化模型法 D.微小量放大法
(2)改變線速度v,多次測量,該同學(xué)測出了五組F、v數(shù)據(jù),如表格所示:
①請?jiān)趫D乙中作出F-v2圖線。
圖乙
②若圓柱體運(yùn)動(dòng)半徑r=0.3 m,由作出的F-v2的圖線可得圓柱體的質(zhì)量m=________ kg(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。
[解析] (1)實(shí)驗(yàn)中研究向心力和速度的關(guān)系,保持圓柱體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑不變,采用的實(shí)驗(yàn)方法為控制變量法,故選B。
(2)①在圖乙中作出F-v2圖線如圖所示。
②根據(jù)F=meq \f(v2,r)=eq \f(m,r)v2,則eq \f(m,r)=k=eq \f(7.9,9) N·m-2·s2≈0.88 N·m-2·s2,因?yàn)閞=0.3 m,則m=0.26 kg。
[答案] (1)B (2)①見解析 ②0.26(或0.27)
2.如圖所示為改裝的探究圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度的實(shí)驗(yàn)裝置。有機(jī)玻璃支架上固定一個(gè)直流電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)半徑為r的塑料圓盤,圓盤中心正下方用細(xì)線連接一個(gè)重錘,圓盤邊緣連接細(xì)繩,細(xì)繩另一端連接一個(gè)小球。實(shí)驗(yàn)操作如下:
①利用天平測量小球的質(zhì)量m,記錄當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的大??;
②閉合電源開關(guān),讓小球做如圖所示的勻速圓周運(yùn)動(dòng),調(diào)節(jié)激光筆2的高度和激光筆1的位置,讓激光恰好照射到小球的中心,用刻度尺測量小球做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R和球心到塑料圓盤的高度h;
③當(dāng)小球第一次到達(dá)A點(diǎn)時(shí)開始計(jì)時(shí),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)下列說法正確的是________。
A.小球運(yùn)動(dòng)的周期為eq \f(t,n)
B.小球運(yùn)動(dòng)的線速度大小為eq \f(2π?n-1?R,t)
C.小球運(yùn)動(dòng)的向心力大小為eq \f(mgR,h)
D.若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,激光筆1、2應(yīng)分別左移、升高
(2)若已測出R=40.00 cm、r=4.00 cm,h=90.00 cm,t=100.00 s,n=51,π取3.14,則小球做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=________ s,記錄的當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?yīng)為g=________ m/s2。(計(jì)算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)
[解析] (1)從球第1次到第n次通過A位置,轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為n-1,時(shí)間為t,故周期為T=eq \f(t,n-1),故A錯(cuò)誤;小球的線速度大小為v=eq \f(2πR,T)=eq \f(2π?n-1?R,t),故B正確;小球受重力和拉力,合力提供向心力,設(shè)細(xì)繩與豎直方向的夾角為α,則FTcs α=mg,F(xiàn)Tsin α =F向,故F向=mgtan α=mgeq \f(R-r,h),故C錯(cuò)誤;若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加,則轉(zhuǎn)動(dòng)半徑增加,故激光筆1、2應(yīng)分別左移、上移,故D正確。
(2)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=eq \f(t,n-1)=eq \f(100.00,51-1) s=2.00 s;向心力F向=mgeq \f(R-r,h)=meq \f(4π2,T2)R,解得g=eq \f(4π2Rh,?R-r?T2)≈9.86 m/s2。
[答案] (1)BD (2)2.00 9.86
3.某學(xué)習(xí)小組做探究向心力與向心加速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示:一輕質(zhì)細(xì)線上端固定在拉力傳感器O點(diǎn),下端懸掛一質(zhì)量為m的小鋼球。小球從A點(diǎn)靜止釋放后繞O點(diǎn)在豎直面內(nèi)沿著圓弧ABC擺動(dòng)。已知重力加速度為g,主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:
甲 乙 丙
(1)用游標(biāo)卡尺測出小球直徑d。
(2)按圖甲所示把實(shí)驗(yàn)器材安裝調(diào)節(jié)好。當(dāng)小球靜止時(shí),如圖乙所示,毫米刻度尺0刻度與懸點(diǎn)O水平對齊(圖中未畫出),測得懸點(diǎn)O到球心的距離L=________ m。
(3)利用拉力傳感器和計(jì)算機(jī),描繪出小球運(yùn)動(dòng)過程中細(xì)線拉力大小隨時(shí)間變化的圖線,如圖丙所示。
(4)利用光電計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)測出小球經(jīng)過B點(diǎn)過程中,其直徑的遮光時(shí)間為Δt,可得小球經(jīng)過B點(diǎn)瞬時(shí)速度為v =________(用d、Δt表示)。
(5)若向心力與向心加速度關(guān)系遵循牛頓第二定律,則小球通過B點(diǎn)時(shí)物理量m、v、L、g、F1(或F2)應(yīng)滿足的關(guān)系式為:________________________________。
[解析] (2)由圖示刻度尺可知,其分度值為1 mm,其示數(shù)為:
86.30 cm=0.863 0 m(0.862 5~0.863 5均正確)。
(4)小球經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度:v=eq \f(d,Δt)。
(5)由圖示圖像可知,小球經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)繩子的拉力為F2,繩子的拉力與重力的合力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,由牛頓第二定律得:F2-mg=meq \f(v2,L)。
[答案] (2)0.863 0(0.862 5~0.863 5均正確)
(4)eq \f(d,Δt) (5)F2-mg=eq \f(mv2,L)
4.(2023·江蘇南京高三月考)某同學(xué)做驗(yàn)證向心力與線速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。裝置如圖甲所示,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)母叨忍庫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;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:
甲
乙
(1)游標(biāo)卡尺測出小球直徑,如圖乙所示,則d=______ cm。
(2)根據(jù)向心力公式,小球通過最低點(diǎn)時(shí)所需向心力________(用題中物理量符號表示)。
(3)若等式________________成立(用題中物理量符號表示),則可以驗(yàn)證向心力表達(dá)式。
(4)該實(shí)驗(yàn)可能的誤差有:__________________。(寫出一條即可)
[解析] (1)該游標(biāo)卡尺的最小分度為0.1 mm,游標(biāo)卡尺的讀數(shù)=主尺讀數(shù)+游標(biāo)尺的讀數(shù),即游標(biāo)卡尺的讀數(shù)=1.8 cm+0.1 mm×5=1.85 cm。
(2)鋼球懸掛靜止不動(dòng),此時(shí)力傳感器示數(shù)為F1,則有
mg=F1,故小球的質(zhì)量m=eq \f(F1,g)
小球通過最低點(diǎn)時(shí)的速度為v=eq \f(d,t)
根據(jù)向心力公式,小球通過最低點(diǎn)時(shí)所需向心力Fn=meq \f(v2,R)=eq \f(F1,g)·eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))2,L+\f(d,2))。
(3)小球通過最低點(diǎn)時(shí),受小球的重力和細(xì)線的拉力作用,拉力F2和重力mg的合力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,故其通過最低點(diǎn)時(shí)所需向心力
Fn=F2-mg=F2-F1
若等式F2-F1=eq \f(F1,g)·eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))2,L+\f(d,2))成立,則可以驗(yàn)證向心力表達(dá)式。
(4)該實(shí)驗(yàn)可能的誤差有測擺線長度的誤差,或者光電門測速存在誤差等等。
[答案] (1)1.85 (2)eq \f(F1,g)·eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))2,L+\f(d,2)) (3)F2-F1=eq \f(F1,g)·eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))2,L+\f(d,2)) (4)測擺線長度存在誤差或者光電門測速存在誤差
實(shí)驗(yàn)序號
1
2
3
4
5
6
7
8
F/N
2.42
1.90
1.43
0.97
0.76
0.50
0.23
0.06
ω/(rad·s-1)
28.8
25.7
22.0
18.0
15.9
13.0
8.5
4.3
v/(m·s-1)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
v2/(m2·s-2)
1.0
2.25
4.0
6.25
9.0
F/N
0.88
2.00
3.50
5.50
7.90
這是一份高考物理一輪復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)針對訓(xùn)練6探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系含答案,共5頁。
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這是一份2024高考物理大一輪復(fù)習(xí)題庫 實(shí)驗(yàn)六 探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系,共10頁。試卷主要包含了實(shí)驗(yàn)思路,實(shí)驗(yàn)器材,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)處理和結(jié)論等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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