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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.体会用作图法
处理数据及化曲为直的思想.
实验技能储备
1.实验思路
本实验探究了向心力与多个物理量之间的关系,因而实验方法采用了控制变量法,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,可以通过标尺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)在质量、半径一定的情况下,探究向心力大小与角速度的关系.
(2)在质量、角速度一定的情况下,探究向心力大小与半径的关系.
(3)在半径、角速度一定的情况下,探究向心力大小与质量的关系.
2.实验器材
向心力演示器、质量不等的小球.
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)分别将两个质量相等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相等、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
2
分别作出F-ω、F-r、F-m的图像,分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系,
nnn
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.
考点一教材原型实验
考向1实验原理与操作
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的大小F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套筒下降,从而露
出标尺,标尺上的红白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比值.如图是探究过程中
某次实验时装置的状态.
(1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时主要用到了物理学中的
________.
A.理想实验法B.等效替代法
C.控制变量法D.演绎法
(2)若两个钢球质量和运动半径相等,则是在研究向心力的大小F与________的关系;
A.钢球质量m
B.运动半径r
C.角速度ω
(3)若两个钢球质量和运动半径相等,标尺上红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∶9,则与皮带连接的变速塔轮1和变速塔轮2的半径之比为________.
A.1∶3B.3∶1
C.1∶9D.9∶1
答案(1)C(2)C(3)B
解析(1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时主要用到了物理
学中的控制变量法,故选C;
(2)若两个钢球质量和运动半径相等,则是在研究向心力的大小F与角速度ω的关系,故选C;
2
(3)根据F=mωr可知,若两个钢球质量m和运动半径r相等,标尺上红白相间的等分格显
示出钢球1和钢球2所受向心力的比值为1∶9,可知两轮的角速度之比为1∶3,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3∶1,故
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