实验6 探究向心力大小与半径、角速度和质量的关系-2025年高考物理必考实验重难点突破（原卷版）（高考实验）.docx

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实验6探究向心力大小与半径、

角速度和质量的关系

目录

01新高考命题热点

02核心考点综述

1）实验目的

2）实验原理

3）实验装置

4）实验步骤

5）数据处理与分析

6）误差分析

7）注意事项

03典型真题精练

04创新实验新考法

1）利用力传感器结合光电门探究向心力大小影响因素

2）利用力和角速度传感器探究向心力与质量、半径、角速度的关系

3）利用力和磁传感器探究向心力与质量、半径、角速度的关系

4）利用手机自带Phyphox软件探究向心力与质量、半径、角速度的关系

5）利用单摆验证向心力大小的表达式

6）利用用圆锥摆粗略验证向心力表达式

05分层强化训练

在新高考中，该实验命题热点突出。其一，实验原理运用，常考如何用控制变量法探究向心力与各因素关系，要求学生精准阐述操作流程。其二，数据处理成重点，给出实验数据，让学生绘制如“F-r”“F-ω”“F-m”等图像，依图像特性判断向心力与对应变量的定量关系，检验数理结合能力。其三，实验拓展创新受青睐，例如结合现代科技如向心力传感器，考查对新测量手段的理解，或是联系生活，像分析游乐园旋转设施中向心力作用，考查知识迁移能力。

一、实验目的

探究向心力大小与物体的质量、圆周运动的半径以及角速度之间的关系。

二、实验原理

在实验中，通过改变物体的质量m、圆周运动的半径r以及角速度ω，观察并记录向心力F的变化，从而验证向心力公式F=mω2r的正确性。

控制变量法：实验采用控制变量法，即分别固定其中两个变量，改变第三个变量，观察并记录向心力的变化。例如，在保持质量和半径一定的情况下，改变角速度，观察向心力的变化；在保持质量和角速度一定的情况下，改变半径，观察向心力的变化；在保持半径和角速度一定的情况下，改变质量，观察向心力的变化。

数据记录与分析：在实验过程中，需要准确记录不同条件下的向心力大小，并绘制相应的图像（如Fn-ω2、Fn-r、Fn-m图像）进行分析。通过图像可以直观地看出向心力与各个变量之间的关系。

三、实验装置

常见的有向心力演示器，它由旋转轴、横杆、弹簧测力装置、小球等构成。旋转轴带动横杆及小球做圆周运动，弹簧测力装置可测量向心力大小。

还有利用电机带动圆盘，圆盘上放置可改变质量、半径的物体，通过传感器或其他测力手段感知向心力。

四、实验步骤

1.准备阶段：

使用向心力演示器，将两个质量相等的小球分别放在长槽和短槽中，确保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同，观察并记录向心力的大小。

2.改变角速度：

保持两个小球的质量和转动半径不变，改变它们的角速度，观察并记录不同角速度下向心力的大小。

3.改变半径：

保持两个小球的质量和角速度不变，改变长槽上小球的转动半径，观察并记录不同半径下向心力的大小。

4.改变质量：

换成质量不同的球，保持它们的转动半径和角速度相同，观察并记录不同质量下向心力的大小。

五、数据处理与分析

1.绘制图像：

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

2.得出结论：

在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度的平方成正比。

在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与半径成正比。

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。

六、误差分析

1.装置本身误差：如向心力演示器弹簧的弹性形变不精准、传感器测量误差等，会使测量的向心力数值不准确。

2.操作误差：实验过程中，转速控制不稳定、改变半径或质量时操作不精细，导致实验条件改变不精确，影响数据准确性。

3.环境因素：如空气阻力，会对做圆周运动的物体产生额外作用力，干扰向心力测量，尤其在高速旋转实验中，空气阻力影响更显著。

七、注意事项

1.在实验过程中，应确保匀速转动手柄，使塔轮、长槽和短槽匀速转动，从而使槽内小球做匀速圆周运动。

2.在改变角速度、半径和质量时，应使用控制变量法，确保其他因素保持不变。

3.在记录数据时，应注意观察标尺的格数，确保读数准确。

4.在实验结束后，应及时整理实验器材，保持实验室整洁。

【例1】（2023·浙江·高考真题）“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”）。

【例2】（2024·海