2025高考物理一轮复习讲义 实验探究课6　探究向心力大小的关系式.docVIP

探究向心力大小的关系式

[实验基本技能]

一、实验目的

1.学会使用向心力演示器。

2.探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。

二、实验原理

1.探究方法：控制变量法。

2.实验设计思路

(1)控制小球质量和运动半径不变，探究向心力大小与角速度的关系。

(2)控制小球质量和角速度不变，探究向心力大小与运动半径的关系。

(3)控制小球运动半径和角速度不变，探究向心力大小与质量的关系。

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。这时，小球向外挤压挡板，挡板对小球的反作用力提供了小球做匀速圆周运动的向心力。同时，小球压挡板的力使挡板另一端压缩弹簧测力套筒里的弹簧，弹簧的压缩量可以从标尺上读出，该读数显示了向心力大小。

三、实验器材

质量不同的小球若干，空心圆珠笔杆，细线(长约60cm)，向心力演示器。

四、实验步骤

向心力演示器

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。注意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。注意向心力的大小与半径的关系。

3.换成质量不同的球，分别使两球的转动半径相同。调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度也相同。注意向心力的大小与质量的关系。

4.重复几次以上实验。

[规律方法总结]

一、数据处理

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，使两个小球转动的角速度之比分别为1∶1、1∶2和1∶3，分别读出两球所需的向心力大小，将结果填入表一。

表一：m1＝m2，r1＝r2

实验次数

eq\f(ω1,ω2)

F1/格

F2/格

eq\f(F1,F2)

1

2

3

2.把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上，使半径之比为2∶1；调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度相同，分别读出两球所需的向心力大小，将结果填入表二。

表二：m1＝m2，ω1＝ω2

eq\f(r1,r2)

F1/格

F2/格

eq\f(F1,F2)

3.把两个质量不同的小球放在长槽和短槽上，使两球的转动半径相同，调整塔轮上的皮带，使两个小球的角速度相同，分别读出两球所需的向心力大小，将结果填入表三。

表三：r1＝r2，ω1＝ω2

eq\f(m1,m2)

F1/格

F2/格

eq\f(F1,F2)

4.分别作出F向-ω2、F向-r、F向-m的图像。

二、实验结论

物体做圆周运动需要的向心力跟物体的质量成正比，跟半径成正比，跟角速度的平方成正比。

三、注意事项

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计的格数。达到预定格数时，即保持转速均匀恒定。

考点一教材原型实验

1.(实验原理)(2023·浙江卷)“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”)。

解析：(1)本实验先控制住其他几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，采用的实验方法是控制变量法，故选A。

(2)标尺上露出的红白相间的等分格数之比为两个小球所受向心力的比值，根据F＝mrω2，在小球质量和转动半径相同的情况下，可知左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的角速度平方之比。在加速转动手柄的过程中，由于左右两塔轮的角速度之比不变，因此左右标尺露出红白相间等分标记的比值不变。

答案：(1)A(2)角速度平方不变

2.(数据处理)如图所示为向心力演示装置，匀速转动手柄1，可以使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球也随着做匀速圆周运动。使小球做匀速圆周运动的向心力由横臂8的挡板(即挡板A、B、C)对小球的压力提供。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9下降，从而露出标尺10。根据标尺10上露出的红白相间等分标记，可以粗略计算出两个球做圆周运动所需的向心力的比值。利用此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。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。

(1)要探究向心力与轨道半径的关系时，把皮带套在左、右两个塔轮的半径相同的位置，把两个质量(选填“相同”或“不同”)的小球放置在挡板和挡板位置(