2025版高考物理一轮复习练习题含答案解析 实验六　探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系.docxVIP

2025版高考物理一轮复习练习题含答案解析

实验六探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系

实验装置图

操作要领

注意事项

摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中—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。

1.把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上，使它们的转动半径相同。调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度不一样。探究向心力的大小与角速度的关系。

2.保持两个小球质量不变，增大长槽上小球的转动半径。调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度相同。探究向心力的大小与半径的关系。

3.换成质量不同的小球，分别使两小球的转动半径相同。调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度也相同。探究向心力的大小与质量的关系。

4.重复几次以上实验。

数据处理和结论

1.分别作出Fn－ω2、Fn－r、Fn－m的图像，分析向心力与角速度、半径、质量之间的关系。

2.实验结论

相同的物理量

不同的物理量

实验结论

1

m、r

ω

ω越大，F越大，F∝ω2

2

m、ω

r

r越大，F越大，F∝r

3

r、ω

m

m越大，F越大，F∝m

公式

F＝mω2r

考点一教材原型实验

例1探究向心力大小F与小球质量m、角速度ω和半径r之间关系的实验装置如图1所示，转动手柄可使变速塔轮、长槽和短槽随之匀速转动。皮带分别套在塔轮的圆盘上，可使两个槽内的小球分别以不同角速度做匀速圆周运动。小球做圆周运动的向心力由横臂的挡板提供，同时，小球对挡板的弹力使弹簧测力筒下降，从而露出测力筒内的标尺，标尺上露出的红白相间的等分格数之比即为两个小球所受向心力的比值。已知小球在挡板A、B、C处做圆周运动的轨迹半径之比为1∶2∶1。

图1

(1)在这个实验中，利用了________(选填“理想实验法”“等效替代法”或“控制变量法”)来探究向心力的大小与小球质量m、角速度ω和半径r之间的关系。

(2)探究向心力的大小与圆周运动半径的关系时，应选择两个质量________(选填“相同”或“不同”)的小球，分别放在挡板C与________(选填“挡板A”或“挡板B”)处，同时选择半径________(选填“相同”或“不同”)的两个塔轮。

(3)当用两个质量相等的小球做实验，调整长槽中小球的轨道半径是短槽中小球半径的2倍，转动时发现左、右标尺上露出的红白相间的等分格数之比为1∶2，则左、右两边塔轮的半径之比为________。

答案(1)控制变量法(2)相同挡板B相同(3)2∶1

解析(1)本实验中要分别探究向心力大小与质量m、角速度ω、半径r之间的关系，所以需要用到控制变量法。

(2)探究向心力大小与圆周运动半径的关系时，需要控制小球的质量和运动角速度相同，所以应选择两个质量相同的小球。半径不同，分别放在挡板C和挡板B处。同时选择半径相同的两个塔轮。

(3)据F＝mω2R，由题意可知F右＝2F左

R左＝2R右

可得ω左∶ω右＝1∶2

由v＝ωr可得r左轮∶r右轮＝2∶1

即左、右两边塔轮的半径之比是2∶1。

跟踪训练

1.某实验小组利用如图2所示的装置进行“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”实验。转动手柄，可使变速塔轮、长槽和短槽随之匀速转动。塔轮至上而下有三层，每层左、右半径之比均不同。左、右塔轮通过皮带连接，并可通过改变皮带所处层来改变左、右塔轮的角速度之比。实验时，将两个小球分别放在短槽C处和长槽的A(或B)处，A、C到左、右塔轮中心的距离相等，两个小球随塔轮做匀速圆周运动，向心力大小关系可由标尺露出的等分格的格数判断。

图2

(1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时我们主要用到了物理学中的________方法(填选项前的字母)；

A.理想实验法 B.等效替代法

C.控制变量法 D.演绎法

(2)实验时某同学把两个质量相等的钢球放在A、C位置，皮带所连接的左、右变速塔轮的半径之比为3∶1，转动手柄，观察左右标出的刻度，回答两个问题：

①该操作过程可用来探究向心力大小F与________(填选项前的字母)；

A.质量m的关系

B.半径r的关系

C.角速度ω的关系

②该同学准确操作实验，则在误差允许范围内，标尺上的等分格显示出左、右两个小球所受向心力之比应为________。

答案(1)C(2)①C②1∶9

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之间的关系时我们主要用到了物理学中的控制变量法，故选C；

(2)①根据F＝mω2r可知，图中所示，若两个钢球质量和运动半径相等，则是在研究向心力的大小与角速度的关系，故选C；

②左右塔轮半径之比为3∶1，两轮边缘处的线速度大小相等，根据v＝ωr可知，两塔轮的角速度之比为1∶3，左右两边小球受到的向心力之比为1∶9。

考点二实验创新拓展

例2(2023