第四章　第6课时　实验六：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系-2025年高中物理大一轮复习

第6课时实验六：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系目标要求1.会用控制变量法探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。2.会用图像法处理数据。考点一实验技能储备1．实验思路本实验需要探究向心力与多个物理量之间的关系，因而实验采用________________，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，此时小球向外挤压挡板，挡板对小球有一个向内的(指向圆周运动圆心)的弹力作为小球做匀速圆周运动的向心力，可以通过________上露出的红白相间等分标记，粗略计算出两球所需向心力的比值。在实验过程中可以通过两个小球同时做圆周运动对照，分别分析下列情形：(1)在____________一定的情况下，探究向心力大小与角速度的关系。(2)在________________一定的情况下，探究向心力大小与半径的关系。(3)在____________一定的情况下，探究向心力大小与质量的关系。2．实验器材向心力演示器、小球。3．实验过程(1)分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的两个小槽中，且小球到转轴(即圆心)距离相同即圆周运动半径相同。将皮带放置在适当位置使两转盘转动，记录不同角速度下的向心力大小(格数)。(2)分别将两个质量________的小球放在实验仪器的长槽和短槽两个小槽中，将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度________、小球到转轴(即圆心)距离不同即圆周运动半径不等，记录不同半径下的向心力大小(格数)。(3)分别将两个质量不相等的小球放在实验仪器的两个小槽中，且小球到转轴(即圆心)距离相同即圆周运动半径相等，将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度相等，记录不同质量下的向心力大小(格数)。4．数据处理分别作出____________、Fn－r、Fn－m的图像，分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系，并得出结论。5．注意事项摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个标尺的格数。达到预定格数时，即保持转速恒定，观察并记录其余读数。例1(2023·浙江1月选考·16Ⅰ(2))“探究向心力大小的表达式”实验装置如图所示。(1)采用的实验方法是________。A．控制变量法B．等效法C．模拟法(2)在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的________________之比(选填“线速度大小”“角速度平方”或“周期平方”)；在加速转动手柄过程中，左右标尺露出红白相间等分标记的比值________(选填“不变”“变大”或“变小”)。考点二探索创新实验创新角度创新示例实验方案及器材的创新以拉力传感器、速度传感器、转速测量仪的使用使实验方案得以改进，有利于物理量的测量实验目的的创新以圆周运动的形式测量其他物理量例2如图所示是“DIS向心力实验器”，当质量为m的砝码随旋转臂一起在水平面内做半径为r的圆周运动时，所需的向心力可通过牵引杆由力传感器测得，旋转臂另一端的挡光杆(挡光杆的挡光宽度为Δs，旋转半径为R)每经过光电门一次，通过力传感器和光电门就同时获得一组向心力大小F和角速度ω的数据。(1)某次旋转过程中挡光杆经过光电门时的遮光时间为Δt，则角速度ω＝________。(2)以F为纵坐标，以________(选填“Δt”“eq\f(1,Δt)”“(Δt)2”或“eq\f(1,Δt2)”)为横坐标，可在坐标纸中描出数据点作一条直线，该直线的斜率为k＝________。(用上述已知量的字母表示)例3(2024·吉林通化市检测)一同学用如图甲所示的装置探究向心力与角速度的关系。将力传感器固定在铁架台上，将细线一端固定在力传感器上，另一端固定一个直径为d的金属小球，该同学测出小球重心到悬点的距离为L，然后拉起小球，使细线伸直与竖直方向成一角度，静止释放小球，让小球在竖直平面内做圆周运动，当小球摆到最低点时，小球中心恰好经过光电门，该同学在一次实验中测得小球通过光电门的时间为Δt。(1)小球通过光电门时的角速度为________。(2)多次拉起小球，每次拉起小球时细线与竖直方向的夹角不同，每次都记录小球通过光电门的时间Δt，作出细线拉力F与eq\f(1,Δt2)的关系图像如图乙所示，已知图像的斜率为k，截距为b，则小球的质量为______________，当地的重力加速度为______________。(用题中给出的字母表示)例4如图甲所示，某同学为了比较不同物体与转盘间动摩擦因数的大小设计了该装置。已知固定于转轴上的角速度传感器和力传感器与电脑连接，通过一不可伸长的细绳连接物块，细绳刚好拉直，物块随转盘缓慢加速。在电脑上记录如图乙所示图像。换用形状和大小相同但材料不同的物块重复实验，得到物块a、b、c分别对应的三条直线，发现a与c的纵截距相同，b与c的横截距相同，且符合一定的数