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第2課時實(shí)驗:探究向心力大小的表達(dá)式第六章
圓周運(yùn)動2.向心力[實(shí)驗?zāi)繕?biāo)]
1.探究向心力大小與質(zhì)量、半徑、角速度的關(guān)系。2.學(xué)會用控制變量法探究物理規(guī)律。必備知識·自主預(yù)習(xí)儲備探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成類型一實(shí)驗原理與操作【典例1】用如圖所示的裝置可以探究做勻速圓周運(yùn)動的物體需要的向心力的大小與哪些因素有關(guān)。(1)本實(shí)驗采用的科學(xué)方法是________。A.控制變量法 B.累積法C.微元法 D.放大法(2)圖示情境正在探究的是________。A.向心力的大小與半徑的關(guān)系B.向心力的大小與線速度大小的關(guān)系C.向心力的大小與角速度大小的關(guān)系D.向心力的大小與物體質(zhì)量的關(guān)系A(chǔ)D(3)通過本實(shí)驗可以得到的結(jié)論是________。A.在質(zhì)量和半徑一定的情況下,向心力的大小與角速度成正比B.在質(zhì)量和半徑一定的情況下,向心力的大小與線速度的大小成正比C.在半徑和角速度一定的情況下,向心力的大小與質(zhì)量成正比D.在質(zhì)量和角速度一定的情況下,向心力的大小與半徑成反比C[解析]
(1)探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系,要采用控制變量法探究。故正確選項為A。(2)實(shí)驗中,兩小球的種類不同,故是保持兩小球的轉(zhuǎn)動半徑、轉(zhuǎn)動的角速度相同,探究向心力的大小跟物體質(zhì)量的定量關(guān)系。故正確選項為D。(3)兩小球的轉(zhuǎn)動半徑、轉(zhuǎn)動的角速度相同,探究向心力的大小跟物體質(zhì)量成正比。故正確選項為C。類型二數(shù)據(jù)處理和誤差分析【典例2】如圖所示是探究向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系的實(shí)驗裝置圖,轉(zhuǎn)動手柄1,可使變速塔輪2和3以及長槽4和短槽5隨之勻速轉(zhuǎn)動。皮帶分別套在塔輪2和3上的不同圓盤上,可使兩個槽內(nèi)的小球6、7分別以不同的角速度做勻速圓周運(yùn)動。小球做圓周運(yùn)動的向心力由橫臂8的擋板對小球的壓力提供,球?qū)醢宓姆醋饔昧Γㄟ^橫臂8的杠桿作用使彈簧測力套筒9下降,從而露出標(biāo)尺10,標(biāo)尺10上露出的紅白相間的等分格顯示出兩個球所受向心力的比值。那么:(1)現(xiàn)將兩小球分別放在兩邊的槽內(nèi),為了探究小球受到的向心力大小和角速度的關(guān)系,下列說法正確的是________。A.在小球運(yùn)動半徑相等的情況下,用質(zhì)量相同的小球做實(shí)驗B.在小球運(yùn)動半徑相等的情況下,用質(zhì)量不同的小球做實(shí)驗C.在小球運(yùn)動半徑不等的情況下,用質(zhì)量不同的小球做實(shí)驗D.在小球運(yùn)動半徑不等的情況下,用質(zhì)量相同的小球做實(shí)驗(2)在該實(shí)驗中應(yīng)用了______________(選填“理想實(shí)驗法”“控制變量法”或“等效替代法”)來探究向心力的大小與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系。A控制變量法(3)當(dāng)用兩個質(zhì)量相等的小球做實(shí)驗,且左邊小球的軌道半徑為右邊小球的2倍時,轉(zhuǎn)動時發(fā)現(xiàn)右邊標(biāo)尺上露出的紅白相間的等分格數(shù)為左邊的2倍,那么,左邊塔輪與右邊塔輪之間的角速度之比為________,左邊塔輪與右邊塔輪的半徑之比為________。1∶22∶1[解析]
(1)本實(shí)驗探究小球受到的向心力大小和角速度、小球運(yùn)動半徑和小球質(zhì)量之間的關(guān)系,需采用控制變量法,當(dāng)探究小球受到的向心力大小和角速度的關(guān)系時,需保持小球運(yùn)動半徑和小球質(zhì)量不變,即在小球運(yùn)動半徑相等的情況下,用質(zhì)量相同的小球做實(shí)驗。故選A。(2)由(1)分析可知,在該實(shí)驗中應(yīng)用了控制變量法。
類型三創(chuàng)新實(shí)驗設(shè)計【典例3】某興趣小組用如圖甲所示的裝置與傳感器結(jié)合,探究向心力大小的影響因素。實(shí)驗時用手撥動旋臂使其做圓周運(yùn)動,力傳感器和光電門固定在實(shí)驗器材上,測量角速度和向心力。(1)電腦通過光電門測量擋光桿通過光電門的時間,并由擋光桿的寬度d、擋光桿通過光電門的時間Δt、擋光桿做圓周運(yùn)動的半徑r,自動計算出砝碼做圓周運(yùn)動的角速度,則計算其角速度的表達(dá)式為________。
(2)圖乙中?、佗趦蓷l曲線為相同半徑、不同質(zhì)量下向心力與角速度的關(guān)系圖線,由圖可知,曲線①對應(yīng)的砝碼質(zhì)量________(選填“大于”或“小于”)曲線②對應(yīng)的砝碼質(zhì)量。小于
應(yīng)用遷移·隨堂評估自測1.用如圖所示的裝置可以探究做勻速圓周運(yùn)動的物體需要的向心力的大小與哪些因素有關(guān)。243題號15(1)本實(shí)驗采用的科學(xué)方法是________。A.控制變量法 B.累積法C.微元法 D.放大法A(2)通過本實(shí)驗可以得到的結(jié)果是________。A.在質(zhì)量和半徑一定的情況下,向心力的大小與角速度成正比B.在質(zhì)量和半徑一定的情況下,向心力的大小與線速度的大小成正比C.在半徑和角速度一定的情況下,向心力的大小與質(zhì)量成正比D.在質(zhì)量和角速度一定的情況下,向心力的大小與半徑成反比243題號15C(3)如圖所示,在驗證向心力公式的實(shí)驗中,質(zhì)量相同的鋼球①②分別放在A盤和B盤的邊緣,A、B兩盤的半徑之比為2∶1,a、b分別是與A盤、B盤同軸的輪,a輪、b輪半徑之比為1∶2,當(dāng)a、b兩輪在同一皮帶帶動下勻速轉(zhuǎn)動時,鋼球①、②受到的向心力之比為________。A.2∶1 B.4∶1
C.1∶4
D.8∶1243題號15D
243題號15
243題號152.一同學(xué)通過圖甲所示的裝置探究物體做圓周運(yùn)動的向心力與質(zhì)量、軌道半徑及線速度的關(guān)系。滑塊套在光滑水平桿上,隨桿一起繞豎直桿做勻速圓周運(yùn)動,力傳感器通過一細(xì)繩連接滑塊,用來測量向心力的大小F?;瑝K上固定一遮光片,與固定在鐵架臺上的光電門可測量滑塊的線速度v。該同學(xué)先保持滑塊質(zhì)量和半徑不變,來探究向心力大小與線速度大小的關(guān)系。243題號15(1)該同學(xué)采用的實(shí)驗方法主要是________(填正確答案標(biāo)號)。A.理想模型法B.控制變量法C.等效替代法(2)該同學(xué)通過改變轉(zhuǎn)速測量多組數(shù)據(jù),記錄力傳感器示數(shù)F,算出對應(yīng)的線速度v及v2的數(shù)值,以v2為橫軸,F(xiàn)為縱軸,作出F-v2圖線,如圖乙所示,若滑塊運(yùn)動半徑r=0.2m,由圖線可得滑塊的質(zhì)量m=________kg(保留兩位有效數(shù)字)。243題號15B0.13
243題號153.某同學(xué)利用如圖所示的向心力演示器定量探究勻速圓周運(yùn)動所需向心力F與小球質(zhì)量m、轉(zhuǎn)速n和運(yùn)動半徑r之間的關(guān)系。
243題號15(1)為了單獨(dú)探究向心力跟小球質(zhì)量的關(guān)系,必須用________法。(2)轉(zhuǎn)動手柄可以使長槽和短槽分別隨變速塔輪勻速轉(zhuǎn)動,槽內(nèi)的球隨之做勻速圓周運(yùn)動。這時我們可以看到彈簧測力筒上露出標(biāo)尺,通過標(biāo)尺上紅白相間等分格數(shù),即可求得兩個球所受的_________________________________??刂谱兞肯蛐牧Υ笮≈?或向心力之比)(3)該同學(xué)通過實(shí)驗得到如下表所示的數(shù)據(jù):
243題號15次數(shù)球的質(zhì)量m/g轉(zhuǎn)動半徑r/cm轉(zhuǎn)速/每秒幾圈n/(r·s-1)向心力大小F/紅格數(shù)114.015.0012228.015.0014314.015.0028414.030.0014根據(jù)以上數(shù)據(jù),可歸納概括出向心力F跟小球質(zhì)量m之間的關(guān)系是:______________________________(文字表述)。向心力F跟小球質(zhì)量m成正比[解析]
(1)為了單獨(dú)探究向心力跟小球質(zhì)量的關(guān)系,需要使轉(zhuǎn)速、小球轉(zhuǎn)動的半徑不變,即使用控制變量法。(2)彈簧測力筒上標(biāo)尺上紅白相間等分格數(shù)可以表示向心力的大小,所以通過標(biāo)尺上紅白相間等分格數(shù),即可求得兩個球向心力的比值。(3)通過1、2兩次實(shí)驗可知r、n相同時,向心力F的大小跟小球的質(zhì)量m成正比。
243題號154.如圖甲是一個研究向心力大小與哪些因素有關(guān)的DIS實(shí)驗裝置的示意圖,其中沿圖中虛線做勻速圓周運(yùn)動的圓柱體的質(zhì)量為m,放置在未畫出的水平圓盤上,圓周軌道的半徑為r,力電傳感器測定的是向心力,光電傳感器測定的是圓柱體的線速度大小,圖乙的三個圖像是保持圓柱體質(zhì)量和圓周運(yùn)動的半徑均不變的條件下,根據(jù)實(shí)驗記錄表格數(shù)據(jù)得到的F-v圖像、F-v2圖像、F-v3圖像。243題號15v/(m·s-1)1.01.52.02.53.0F/N0.882.00F35.507.90243題號15
243題號15向心力F與線速度的平方v2成正比3.520.10m
243題號155.如圖所示是“DIS向心力實(shí)驗器”,當(dāng)一定質(zhì)量的砝碼隨旋轉(zhuǎn)臂一起在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動時,所需的向心力可通過牽引桿由力傳感器測得;旋轉(zhuǎn)臂另一端的擋光桿每經(jīng)過光電門一次,通過力傳感器和光電門就同時獲得一組向心力F和擋光時間Δt的數(shù)據(jù)。243題號15(1)本實(shí)驗應(yīng)該采用的實(shí)
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