第7讲　实验：探究影响向心力大小的因素 大单元教学设计课件（43页PPT）

(共43张PPT)
实验：探究影响向心力大小的因素(基础实验)
第 7 讲
1
一、实验知能/系统归纳
2
二、应用发展/练中融通
CONTENTS
目录
一、实验知能/系统归纳
一、理清原理与操作
原理装置图
(1)利用变速塔轮可改变小球的转动角速度。
(2)利用长槽和短槽可改变小球的转动半径。
(3)利用测力套筒可显示向心力的大小。
操作要领 向心力演示器如上图所示。转动手柄1，可使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，皮带分别套在塔轮2和3上的不同圆盘上，可使两个槽内的小球分别以几种不同的角速度做匀速圆周运动。小球做圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8，标尺8上露出的红白相间等分格子的多少可以显示出两个球所受向心力的大小。
续表
操作要领 (1)皮带套在塔轮2、3的不同半径的圆盘上，小球质量相同、转动半径相同时，可以探究向心力与角速度的关系。
(2)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上，小球转动角速度和质量相同时，可以探究向心力与转动半径的关系。
(3)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上，小球转动半径和转动角速度相同时，可以探究向心力与小球质量的关系。
续表
二、掌握数据处理方法
1．m、r一定
序号 1 2 3 4 5 6
F向
ω
ω2
2．m、ω一定
3．r、ω一定
序号 1 2 3 4 5 6
F向
r
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的图像。
5．实验结论
(1)在小球质量和做圆周运动的半径一定的情况下，向心力的大小与角速度的平方成正比。
(2)在小球质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与做圆周运动的半径成正比。
(3)在小球做圆周运动的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、注意实验细节
1．定性感知实验中，应先用质量较小的小球，小球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套筒上标尺的格数。达到预定格数时，保持转速均匀恒定。
二、应用发展/练中融通
1．如图所示，图甲为“用向心力演示器验证向心力公式”的实验示意图，图乙为俯视图。图中A、B槽分别与a、b轮同轴固定，且a、b轮半径相同。当a、b两轮在皮带的带动下匀速转动。
(1)两槽转动的角速度ωA________ωB。(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________。
解析：(1)因a、b两轮转动的角速度相同，而两槽的角速度与两轮的角速度相同，则ωA＝ωB；
(2)钢球①、②的角速度相同，半径之比为2∶1，则根据v＝ωr可知，线速度之比为2∶1；根据F＝mω2r可知，受到的向心力之比为2∶1。
答案：(1)＝　(2)2∶1　2∶1
2.如图甲所示为测量电动机转动角速度的实验装置，半径不大的圆形卡纸固定在电动机转轴上，在电动机的带动下匀速转动。在圆形卡纸的旁边垂直安装一个改装了的电火花计时器。
(1)请将下列实验步骤按先后排序：________________________。
A．使电火花计时器与圆形卡纸保持良好接触
B．接通电火花计时器的电源，使它工作起来
C．启动电动机，使圆形卡纸转动起来
D．关闭电动机，拆除电火花计时器；研究卡纸上留
下的一段痕迹(如图乙所示)，写出角速度ω的表达式，代
入数据，得出ω的测量值
(2)要得到ω的测量值，还缺少一种必要的测量工具，它是________。
A．秒表 B．毫米刻度尺
C．圆规 D．量角器
解析：(1)该实验先将电火花计时器与圆形卡纸保持良好接触，先使卡纸转动，再打点，最后取出卡纸进行数据处理，故顺序为A、C、B、D。
(2)要测出角速度，需要测量点跟点间的角度，需要的器材是量角器，故选D。
答案：(1)A、C、B、D　(2)D
3．(2024·南宁二中模拟预测)某同学计划用如图所示(俯视图)的装置验证物体质量不变情况下向心力与角速度的关系，实验步骤如下：
a．测量重物的质量，记为m，将重物和弹簧穿在较光滑的水平横杆上后，弹簧一端连接重物，另一端固定在竖直转轴上，测量重物静止时到竖直转轴的距离，记为r；
b．竖直转轴在电机驱动下带动水平横杆一起转动，当重物运动状态稳定时，记下重物到竖直转轴的距离R和横杆转动50圈所需的时间t；
c．改变竖直转轴的角速度，测得多组数据。
请回答下列问题：
(1)重物做圆周运动的周期T＝________，重物做圆周运动所需的向心力Fn＝_________________________________________。
4．(2024·辽宁模拟预测)某同学用如图所示的装置探究物体做圆周运动的向心力大小与半径、线速度、质量的关系。用一根细线系住钢球，另一端连接在固定于铁架台上端的力传感器上，直径为d的钢球静止于A点，将光电门固定在A的正下方。钢球底部竖直地粘住一片宽度为x的遮光条。
(1)用天平测出钢球质量，用刻度尺测出摆线长度。
(2)将钢球拉至不同位置由静止释放，读出钢球经过A点时力传感器的读数F及光电门的遮光时间t，算出钢球速度的平方值，具体数据如表所示：
1 2 3 4 5
F/N 0.124 0.143 0.162 0.181 0.200
v2/(m2·s－2) 2.0 4.0 5.8 8.0 10.1
请在下面的坐标图中，画出F-v2的关系图像。
解析：(2)画出F-v2的关系图像如图所示：
(5)产生误差的主要原因是光电门测出的是遮光条通过时的速度，大于钢球球心通过最低点的速度，即速度测量值偏大。
答案：(2)见解析图
(3)0.104(0.102～0.106均正确)
(4)F＝kv2＋mg　(5)光电门测出的是遮光条通过时的速度，大于钢球球心通过最低点的速度
5.改装的探究圆周运动的向心力大小的实验装置如图所示。有机玻璃支架上固定一个直流电动机，电动机转轴上固定一个半径为r的塑料圆盘，圆盘中心正下方用细线接一个重锤，圆盘边缘连接细绳，细绳另一端连接一个小球。实验操作如下：
①利用天平测量小球的质量m，记录当地的重力加速度g的大小；
②闭合电源开关，让小球做如图所示的匀速圆周运动，调节激光笔2的高度和激光笔1的位置，让激光恰好照射到小球的中心，用刻度尺测量小球做圆周运动的半径R和球心到塑料圆盘的高度h；
③当小球第一次到达A点时开始计时，并记录为1次，记录小球n次到达A点的时间t；
④切断电源，整理器材。
(2)若已测出R＝40.00 cm，r＝4.00 cm，h＝90.00 cm，t＝100.00 s，n＝51，π取3.14，则小球做圆周运动的周期T＝______s，记录的当地重力加速度大小应为g＝_______m/s2。(计算结果均保留3位有效数字)
答案：(1)BD　(2)2.00　9.86
6．(2024·重庆模拟预测)某同学利用如图甲所示的向心力演示器探究小球做圆周运动所需向心力大小F与小球质量m、运动半径r和角速度ω之间的关系。
(1)本实验采用的主要实验方法为____________(选填“等效替代法”或“控制变量法”)。在探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与运动半径r的关系时，把两个相同________的小球放到半径r不等的长槽和短槽上，保证两变速塔轮的________相同，根据标尺上露出的红白相间等分标记，粗略计算出两个球所需向心力的比值；
(2)另一同学利用如图乙所示接有传感器的向心力实验器来进行实验。力传感器可直接测量向心力的大小F，旋臂另一端的挡光杆经过光电门传感器时，系统将自动记录其挡光时间，用螺旋测微器测量挡光杆的宽度d，示数如图丙所示，则d＝________ mm，挡光杆到转轴的距离为R。某次挡光杆经过光电门时的挡光时间为Δt，可求得挡光杆的角速度ω的表达式为________(用题目中所给物理量的字母符号表示)。该同学保持砝码质量和运动半径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，若砝码运动半径r＝0.2 m，牵引杆的质量和一切摩擦可忽略，由F-ω2图线可得砝码质量m＝________ kg(结果保留2位有效数字)。
解析：(1)本实验通过控制小球质量m、运动半径r和角速度ω这三个物理量中两个量相同，探究向心力F与另一个物理量之间的关系，采用的主要实验方法为控制变量法。在探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与运动半径r的关系时，需要控制m和ω相同，即把两个相同质量的小球放到半径r不等的长槽和短槽上，保证两变速塔轮的角速度相同。