2020版高考物理人教版山东一轮复习课件：实验6 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系(共30张ppt)

实验6 探究向心力大小与半径、 角速度、质量的关系,-2-,一、实验目的 探究向心力与物体的质量、转动的角速度、转动的半径之间的定量关系。 二、实验设计 采用控制变量法探究 (1)使两物体的质量、转动的半径相同,探究向心力的大小跟转动的角速度的定量关系; (2)使两物体的质量、转动的角速度相同,探究向心力的大小跟转动的半径的定量关系; (3)使两物体的转动半径、转动的角速度相同,探究向心力的大小跟物体质量的定量关系。,-3-,三、实验器材 向心力演示仪,见下图。 当转动手柄1时,变速轮2和3就随之转动,放在长滑槽4和短滑槽5中的球A和B都随之做圆周运动。球由于惯性而滚到横臂的两个短臂挡板6处,短臂挡板就推压球,向球提供了做圆周运动所需的向心力。由于杠杆作用,短臂向外时,长臂就压缩塔轮转轴上的测力部分的弹簧,使测力部分套管7上方露出标尺8的格数,便显示出了两球所需向心力之比。,-4-,四、实验与收集证据 (1)安装并调试向心力演示仪:在滑槽静止时,旋动两测力部分标尺的调零螺母,使两套管的上沿都与标尺顶端对齐。 (2)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11、12和13,分别读出两球所需的向心力大小,将结果填入表一。,-5-,表一:m1=m2,r1=r2。,-6-,(3)把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上,使半径之比为21;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=m2,1=2。,-7-,(4)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=r2,1=2。,-8-,分析与论证: 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,跟角速度的二次方成正比。,-9-,五、探究总结 1.通过探究发现,向心力跟角速度的二次方成正比。 2.认识了向心力演示仪的巧妙之处,在于利用两个塔轮半径的不同获得两个塔轮角速度之比,从而克服了直接测量角速度的困难。 3.进一步体会了一种重要的研究方法:控制变量法。 4.向心力演示仪提供了两个圆周运动,通过两运动的对比,来探究向心力跟三个因素之间的关系。这里还隐含着一种重要的研究方法对比实验法。 六、注意事项 1.实验前应将横臂紧固,螺钉旋紧,以防球和其他部件飞出造成事故。 2.实验时,不宜使标尺露出格数太多,以免由于球沿滑槽外移引起过大的误差。 3.摇动手柄时,应力求加速缓慢速度均匀。 4.皮带跟塔轮之间要拉紧。,-10-,命题点一,命题点二,器材使用及原理理解 典例1用如图所示的装置来探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度和半径r之间的关系。两个变速轮塔通过皮带连接,转动手柄使长槽和短槽分别随变速轮塔匀速转动,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。如图是探究过程中某次实验时装置的状态。,-11-,命题点一,命题点二,(1)在研究向心力的大小F与质量m关系时,要保持 相同。 A.和r B.和m C.m和r D.m和F (2)如果两个钢球质量和半径相等,则是在研究向心力的大小F与 的关系。 A.质量m B.半径r C.角速度,-12-,命题点一,命题点二,答案 (1)A (2)C 解析 在研究向心力的大小F与质量m、角速度和半径r之间的关系时,需先控制某些量不变,研究另外两个物理量的关系,该方法为控制变量法。 (1)因F=m2r,根据控制变量法的原理可知,在研究向心力的大小F与质量m关系时,要保持其他的物理量不变,其中包括角速度与半径r,即保持角速度与半径相同。故选A。 (2)图中所示两球的质量相同,转动的半径相同,根据F=m2r,则研究的是向心力与角速度的关系。故选C。,-13-,命题点一,命题点二,本实验采用控制变量法,即要研究一个量与另外一个量的关系,需要控制其他量不变。知道靠皮带传动,变速轮塔的线速度大小相等。,-14-,命题点一,命题点二,创新实验 典例2(2019·黑龙江哈尔滨第三中学第一次调研)为了探究“物体做匀速圆周运动时,向心力与哪些因素有关”,某同学进行了如下实验:,-15-,命题点一,命题点二,如图甲所示,绳子的一端拴一个小沙袋,绳上离小沙袋L处打一个绳结A,2L处打另一个绳结B。请一位同学帮助用秒表计时。如图乙所示,做了四次体验性操作。 操作1:手握绳结A,使沙袋在水平面内做匀速圆周运动,每秒运动1周。体验此时绳子拉力的大小。 操作2:手握绳结B,使沙袋在水平面内做匀速圆周运动,每秒运动1周。体验此时绳子拉力的大小。 操作3:手握绳结A,使沙袋在水平平面内做匀速圆周运动,每秒运动2周。体验此时绳子拉力的大小。 操作4:手握绳结A,增大沙袋的质量到原来的2倍,使沙袋在水平面内做匀速圆周运动,每秒运动1周。体验此时绳子拉力的大小。,-16-,命题点一,命题点二,(1)操作2与操作1中,体验到绳子拉力较大的是 ; (2)操作3与操作1中,体验到绳子拉力较大的是 ; (3)操作4与操作1中,体验到绳子拉力较大的是 ; (4)(多选)总结以上四次体验性操作,可知物体做匀速圆周运动时,向心力大小与 有关。 A.半径 B.质量 C.周期 D.线速度的方向 (5)实验中,人体验到的绳子的拉力是否是沙袋做圆周运动的向心力 (选填“是”或“不是”)。,-17-,命题点一,命题点二,答案 (1)操作2 (2)操作3 (3)操作4 (4)ABC (5)不是 解析 (1)根据F=m2r知,操作2与操作1相比,操作2的半径大,小球质量和角速度相等,知拉力较大的是操作2; (2)根据F=m2r知,操作3与操作1相比,操作3小球的角速度较大,半径不变,小球的质量不变,知操作3的拉力较大。 (3)操作4和操作1比较,半径和角速度不变,小球质量变大,根据F=m2r知,操作4的拉力较大。 (4)由以上四次操作,可知向心力的大小与质量、半径、角速度有关。故选ABC。 (5)沙袋做圆周运动的向心力是绳子对沙袋的拉力,作用在沙袋上。而人体验到的绳子的拉力作用在人上,不是同一个力。,-18-,1.如图所示,图甲为“向心力演示器验证向心力公式”的实验示意图,图乙为俯视图。图中A、B槽分别与a、b轮同轴固定,且a、b轮半径相同。当a、b两轮在皮带的带动下匀速转动。,-19-,(1)两槽转动的角速度A B。(选填“”“=”或“”)。 (2)现有两质量相同的钢球,球放在A槽的边缘,球放在B槽的边缘,它们到各自转轴的距离之比为21。则钢球、的线速度之比为 ;受到的向心力之比为 。,答案 (1)= (2)21 (3)21 解析 (1)因两轮ab转动的角速度相同,而两槽的角速度与两轮角速度相同,则两槽转动的角速度相等,即A=B; (2)钢球、的角速度相同,半径之比为21,则根据v=r可知,线速度之比为21;根据F=m2r可知,受到的向心力之比为21。,-20-,2.如图所示为改装的探究圆周运动的向心加速度的实验装置。有机玻璃支架上固定一个直流电动机,电动机转轴上固定一个半径为r的塑枓圆盘,圆盘中心正下方用细线接一个重锤,圆盘边缘连接细绳,细绳另一端连接一个小球。实验操作如下:,-21-,利用天平测量小球的质量m,记录当地的重力加速度g的大小; 闭合电源开关,让小球做如图所示的匀速圆周运动,调节激光笔2的高度和激光笔1的位置,让激光恰好照射到小球的中心,用刻度尺测量小球做圆周运动的半径R和球心到塑料圆盘的高度h; 当小球第一次到达A点时开始计时,并记录为1次,记录小球n次到达A点的时间t; 切断电源,整理器材。,-22-,请回答下列问题: (1)(多选)下列说法正确的是 。 D.若电动机转速增加,激光笔1、2应分别左移、升高 (2)若已测出R=40.00 cm、r=4.00 cm,h=90.00 cm,t=100.00 s,n=51,取3.14,则小球做圆周运动的周期T= s,记录的当地重力加速度大小应为g= m/s2。(计算结果均保留3位有效数字),-23-,答案 (1)BD (2)2.00 9.86,-24-,-25-,3.一实验小组利用数字实验系统探究圆周运动中向心力与角速度、半径的关系。他们让一砝码做半径r=0.08 m的圆周运动,通过数字实验系统测得到若干组向心力F和对应的角速度,做出F-的关系图象如图所示。,甲,乙,-26-,(1)通过分析图象,猜测F与2可能成正比。为进一步证实猜测,可作 关系图象来验证。 (2)将砝码做圆周运动的半径r分别调整为0.04 m、0.12 m,在一个坐标系中又得到两条F-图象,如图乙所示。作一条平行于纵轴的辅助线,观察 和 的比值,得到力F和半径r成正比的结论。,-27-,答案 (1)F-2 (2)力 半径 解析 (1)通过对图象的观察,兴趣小组的同学猜测F与2成正比。可以通过进一步的转换,通过绘出F与2关系图象来确定他们的猜测是否正确,如果猜测正确,做出的F与2的关系式应当为一条倾斜直线。 (2)在证实了F2之后,他们将砝码做圆周运动的半径r再分别调整为0.04 m、0.12 m,又得到了两条F-图象,作一条平行于纵轴的辅助线,是为了保持参量不变,可以得出力与半径之间的关系。观察和图象的交点中力的数值之比是否为123,如果比例成立则说明向心力与物体做圆周运动的半径成正比。,-28-,4.如图为探究向心力跟质量、半径、角速度关系式的实验装置,金属块放置在转台上,电动机带动转台做圆周运动,改变电动机的电压,可以改变转台的转速,光电计时器可以记录转台每转一圈的时间,金属块被约束在转台的凹槽中,只能沿半径方向移动,且跟转台之间的摩擦力很小可以忽略。,-29-,(1)某同学为了探究向心力跟角速度的关系,需要控制 和 两个变量保持不变,改变转台的转速,对应每个转速由 读出金属块受到的拉力,由光电计时器读出转动的周期T,计算出转动的角速度= 。 (2)上述实验中,该同学多次改变转速后,记录一组力与对应周期数据,他用图象法来处理数据,结果画出了如下图所示的图象,图线是一条过原点的直线,请你分析他的图象横坐标x表示的物理量是 ,国际单位是 。 (3)为了验证向心力跟半径、质量的关系,还需要用到的实验器材有 和 。,-30-,答案 (1)金属块转动半径 金属块质量 力传感器 (2)2 rad2/s2 (3)刻度尺 天平,