粤教版高中物理必修第二册第2章圆周运动第2节向心力与向心加速度第2课时实验：探究影响向心力大小的因素课件（25页PPT）

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第二章　圆周运动
第2课时　实验：探究影响向心力大小的因素
第二节　向心力与向心加速度
通过实验操作、数据处理探究影响向心力大小的因素.
学习任务　实验：探究影响向心力大小的因素
实验方案一　利用向心力演示器探究
1. 实验目的
（1）定性分析向心力大小的影响因素.
（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.
2. 实验器材
向心力演示器
3. 实验原理与设计
（1）基本思想：控制变量法.
①变量的控制要求：
物体的质量、角速度、转动半径对向心力均有影响.要研究一个因变量与三 个自变量的关系，应先控制其中的两个自变量不变，先研究向心力与第三个 自变量之间的关系.
②设计思路：
若讨论向心力与物体质量的关系，应控制角速度、转动半径不变；
若讨论向心力与角速度的关系，应控制物体质量、转动半径不变；
若讨论向心力与转动半径的关系，应控制物体质量、角速度不变.
（2）实验原理：
①保持两个小球的质量m和角速度ω相同
将两球分别放置于长槽和短槽中进行实验，比较向心力F与转动半径r之间的 关系.
②保持两个小球的质量m和转动半径r相同
用皮带连接半径不同的变速塔轮进行实验，比较向心力F与角速度ω之间 的关系.
③保持转动半径r和角速度ω相同
用质量m不同的钢球和铝球进行实验，比较向心力的大小与质量m的关系.
4. 实验设计——各个物理量的测量和调整方法
（1）向心力的测量：由塔轮中心标尺露出的等分格的读数读出.
（2）质量的测量：用天平直接测量.
质量的调整：选用质量不同的钢球和铝球.
（3）轨道半径的测量：根据长、短槽上的刻度读出小球到转轴的距离.
轨道半径的调整：改变小球放置在长、短槽上的位置.
（4）角速度的测量：通过测量变速塔轮的直径确定角速度的比值.
角速度的调整：改变皮带所连接的变速塔轮.
实验方案二　利用力传感器和光电门传感器探究
如图所示，利用力传感器测量重物做圆周运动的向心力，利用天平、刻度 尺、光电门传感器分别测量重物的质量m、做圆周运动的半径r及角速度ω.实 验过程中，力传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示力的大小.光电门 传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示挡光条挡光的时间，由挡光条 的宽度和挡光条做圆周运动的半径，可得到重物做圆周运动的角速度.
实验时采用控制变量的方法，分别研究向心力与质量、半径、角速度的 关系.
实验结论：向心力的大小与物体的质量成正比，与角速度的平方成正比，与 转动半径成正比.
【典例1】向心力演示器如图所示，用来探究小球做圆周运动所需向心力F的 大小与质量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，匀 速转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮1和变速塔轮2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.如图所示是探究过程 中某次实验时装置的状态.
A. 理想实验法 B. 等效替代法
C. 控制变量法 D. 演绎法
解析：（1）在研究向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系 时，我们主要用到了物理学中的控制变量法，故选C.
C　
解析：（2）题图中所示，若两个钢球质量和运动半径相等，则是在研究向 心力F的大小与角速度ω的关系，故选C.
A. 钢球质量m B. 运动半径r C. 角速度ω
C　
A. 2∶1 B. 1∶2 C. 4∶1 D. 1∶4
A　
解析：（3）根据F＝mω2r可知若两个钢球质量m和运动半径r相等，题图中 标尺上黑白相间的等分格显示出钢球1和钢球2所受向心力的比值为1∶4，可 知两轮的角速度之比为1∶2，根据v＝ωR可知，因为变速塔轮1和变速塔轮2 是皮带传动，边缘线速度相等，则与皮带连接的变速塔轮1和变速塔轮2的半 径之比为2∶1，故选A.
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
BD　
解析：（1）保持质量、绳长不变，增大转速，角速度变大，根据向心力公 式可知，绳对手的拉力将增大，故A错误，B正确；保持质量、角速度不变， 增大绳长，根据向心力公式可知，绳对手的拉力将变大，故C错误，D正确.
A. 等效替代法 B. 控制变量法
C. 理想化模型法 D. 微小量放大法
B　
解析：（2）①实验中探究向心力和速度的关系，保持圆柱体质量和运动半 径不变，采用的实验方法为控制变量法，故选B.
见解析图
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 0.90 2.00 3.60 5.60 8.10
解析：②在题图乙中作出F－v2图线如图所示.
F＝0.90v2　
0.36　
1. 用如图所示的装置可以探究做匀速圆周运动的物体需要的向心力的大小与 哪些因素有关.
A. 控制变量法 B. 累积法 C. 微元法
A　
解析：（1）探究做匀速圆周运动的物体需要的向心力
的大小与哪些因素有关，控制其他量不变，只改变其
中的一个变量，看向心力与该变量的关系，故采用的
是控制变量法，故A正确，BCD错误.
A. 在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度成正比
B. 在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与线速度的大小成正比
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
D. 在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与半径成反比
C　
2. 如图1所示的是某同学验证“做圆周运动的物体所受向心力大小与线速度 关系”的实验装置.一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点， 光电门固定在A的正下方靠近A处.在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光 条，小钢球的质量为m，重力加速度为g.实验步骤如下：
1.50
（1.49～1.51）　
1.50（1.49～1.51）　
解析：（2）因为只有力传感器的示数
FA最大时，小球在最低点，此时才能 满足F'＝FA－mg.
最大值　
A. 小钢球的质量偏大
B. 小钢球初速度不为零
C. 总是存在空气阻力
D. 速度的测量值偏大
D　
测出光电门发光孔到悬点的距离L，由v小