新高考物理一輪復(fù)習(xí)重難點(diǎn)練習(xí)實(shí)驗(yàn)06 探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系（原卷版）

實(shí)驗(yàn)06探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系1.會(huì)用控制變量法探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系.2.體會(huì)用作圖法處理數(shù)據(jù)及化曲為直的思想．1．實(shí)驗(yàn)思路本實(shí)驗(yàn)探究了向心力與多個(gè)物理量之間的關(guān)系，因而實(shí)驗(yàn)方法采用了控制變量法，如圖所示，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，可以使塔輪、長(zhǎng)槽和短槽勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，槽內(nèi)的小球也就隨之做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)小球向外擠壓擋板，擋板對(duì)小球有一個(gè)向內(nèi)的(指向圓周運(yùn)動(dòng)圓心)的彈力作為小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，可以通過(guò)標(biāo)尺上露出的紅白相間等分標(biāo)記，粗略計(jì)算出兩球所需向心力的比值．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)兩個(gè)小球同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)對(duì)照，分別分析下列情形：(1)在質(zhì)量、半徑一定的情況下，探究向心力大小與角速度的關(guān)系．(2)在質(zhì)量、角速度一定的情況下，探究向心力大小與半徑的關(guān)系．(3)在半徑、角速度一定的情況下，探究向心力大小與質(zhì)量的關(guān)系．2．實(shí)驗(yàn)器材向心力演示器、質(zhì)量不等的小球．3．實(shí)驗(yàn)過(guò)程(1)分別將兩個(gè)質(zhì)量相等的小球放在實(shí)驗(yàn)儀器的兩個(gè)小槽中，且小球到轉(zhuǎn)軸(即圓心)距離相同即圓周運(yùn)動(dòng)半徑相同．將皮帶放置在適當(dāng)位置使兩轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄不同角速度下的向心力大小(格數(shù))．(2)分別將兩個(gè)質(zhì)量相等的小球放在實(shí)驗(yàn)儀器的長(zhǎng)槽和短槽兩個(gè)小槽中，將皮帶放置在適當(dāng)位置使兩轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相等、小球到轉(zhuǎn)軸(即圓心)距離不同即圓周運(yùn)動(dòng)半徑不等，記錄不同半徑的向心力大小(格數(shù))．(3)分別將兩個(gè)質(zhì)量不相等的小球放在實(shí)驗(yàn)儀器的兩個(gè)小槽中，且小球到轉(zhuǎn)軸(即圓心)距離相同即圓周運(yùn)動(dòng)半徑相等，將皮帶放置在適當(dāng)位置使兩轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相等，記錄不同質(zhì)量下的向心力大小(格數(shù))．4．?dāng)?shù)據(jù)處理分別作出Fn－ω2、Fn－r、Fn－m的圖像，分析向心力大小與角速度、半徑、質(zhì)量之間的關(guān)系，并得出結(jié)論．5．注意事項(xiàng)搖動(dòng)手柄時(shí)應(yīng)力求緩慢加速，注意觀察其中一個(gè)標(biāo)尺的格數(shù)．達(dá)到預(yù)定格數(shù)時(shí)，即保持轉(zhuǎn)速恒定，觀察并記錄其余讀數(shù)．【典例1】（2022·福建·漳州立人學(xué)校模擬預(yù)測(cè)）某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖所示的裝置進(jìn)行“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，可使變速塔輪、長(zhǎng)槽和短槽隨之勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。塔輪至上而下有三層，每層左、右半徑之比均不同。左、右塔輪通過(guò)皮帶連接，并可通過(guò)改變皮帶所處層來(lái)改變左、右塔輪的角速度之比。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩個(gè)小球分別放在短槽C處和長(zhǎng)槽的A（或B）處，A、C到左、右塔輪中心的距離相等，兩個(gè)小球隨塔輪做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力大小關(guān)系可由標(biāo)尺露出的等分格的格數(shù)判斷。（1）在研究向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度SKIPIF1<0和半徑r之間的關(guān)系時(shí)我們主要用到了物理學(xué)中的_____方法（填選項(xiàng)前的字母）；A．理想實(shí)驗(yàn)法

B．等效替代法

C．控制變量法

D．演繹法（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)惩瑢W(xué)把兩個(gè)質(zhì)量相等的鋼球放在A、C位置，皮帶所連接的左、右變速塔輪的半徑之比為3：1，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，觀察左右標(biāo)出的刻度，回答兩兩個(gè)問(wèn)題：①該操作過(guò)程可用來(lái)探究向心力大小與F與_____（填選項(xiàng)前的字母）；A．質(zhì)量m的關(guān)系

B．半徑r的關(guān)系

C．角速度SKIPIF1<0的關(guān)系②該同學(xué)準(zhǔn)確操作實(shí)驗(yàn)，則在誤差允許范圍內(nèi)，標(biāo)尺上的等分格顯示出左、右兩個(gè)小球所受向心力之比應(yīng)為_(kāi)____。【典例2】（2022·河北·模擬預(yù)測(cè)）利用水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)驗(yàn)證向心力與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系，選取光滑水平平臺(tái)MN，如圖甲所示，平臺(tái)可以繞豎直轉(zhuǎn)軸SKIPIF1<0轉(zhuǎn)動(dòng)，M端固定的壓力傳感器可以測(cè)出物體對(duì)其壓力的大小，N端有一寬度為d的遮光條，光電門(mén)可以測(cè)出每一次遮光條通過(guò)時(shí)的遮光時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：a.用游標(biāo)卡尺測(cè)出遮光條的寬度，如圖乙所示；b.用天平測(cè)出小物塊質(zhì)量為m；c.測(cè)出遮光條到轉(zhuǎn)軸間的距離為L(zhǎng)；d.將小物塊放置在水平平臺(tái)上且靠近壓力傳感器，測(cè)出小物塊中心位置到轉(zhuǎn)軸間的距離為R；e.使平臺(tái)繞轉(zhuǎn)軸做不同角速度的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；f.通過(guò)壓力傳感器得到不同角速度時(shí)，小物塊對(duì)傳感器的壓力F和遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間t；g.在保持m、R不變的前提下，得到不同角速度下壓力F與SKIPIF1<0的圖像如圖丙所示，其圖線斜率為k。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：（1）遮光條寬度d=______cm。（2）當(dāng)遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間為t0時(shí)，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度SKIPIF1<0=______（用相應(yīng)的字母符號(hào)表示）。（3）驗(yàn)證小物塊受到的向心力與質(zhì)量、角速度、半徑間的定量關(guān)系時(shí)，則圖線斜率應(yīng)滿足k=______（用m、d、R、L等物理量符號(hào)表示）。【典例3】（2022·全國(guó)·高三課時(shí)練習(xí)）在探究小球做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力的大小Fn與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中。（1）在探究向心力的大小Fn與角速度ω的關(guān)系時(shí)，要保持________相同。A．ω和r

B．ω和m

C．m和r

D．m和Fn（2）本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)方法是________。A．累積法

B．控制變量法

C．微元法

D．放大法（3）甲同學(xué)在進(jìn)行如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)，他是在研究向心力的大小Fn與________的關(guān)系。（4）乙同學(xué)用如圖乙所示裝置做該實(shí)驗(yàn)，他測(cè)得鋁球與鋼球質(zhì)量之比為1:2，兩球運(yùn)動(dòng)半徑相等，觀察到標(biāo)尺上紅白相間的等分格顯示出鋁球與鋼球所受向心力的比值為2:1，則他實(shí)驗(yàn)中與皮帶相連接的變速塔輪對(duì)應(yīng)的半徑之比為_(kāi)_______。【典例4】（2022·河北邢臺(tái)·模擬預(yù)測(cè)）某同學(xué)用如圖所示器材探究向心力影響因素的實(shí)驗(yàn)。在O點(diǎn)有一力傳感器可以記錄細(xì)線的拉力，O點(diǎn)正下方有光電門(mén)，可以記錄重錘通過(guò)光電門(mén)時(shí)的擋光時(shí)間。他現(xiàn)在進(jìn)行的是在運(yùn)動(dòng)半徑和重錘質(zhì)量不變的情況下探究向心力和速度的關(guān)系。（1）他將重錘在某位置由靜止釋放（此時(shí)細(xì)繩處于拉直狀態(tài)），重錘向下運(yùn)動(dòng)，記錄光電門(mén)的擋光時(shí)間t，在電腦屏幕上發(fā)現(xiàn)此過(guò)程中力傳感器的示數(shù)是變化的，則他應(yīng)該記錄力傳感器示數(shù)的______（填“最小值”或“最大值”或“平均值”）；（2）該同學(xué)改變重錘釋放的初始位置，重復(fù)（1），得到擋光時(shí)間t和對(duì)應(yīng)傳感器示數(shù)F的多組數(shù)據(jù)；（3）該同學(xué)以F為縱坐標(biāo)，以______為橫坐標(biāo)，若得到一條傾斜直線，則表明在物體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑不變的情況下，向心力的大小與速度的平方成正比，（4）該同學(xué)分析如果重錘向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的空氣阻力不能忽略，這個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果______（填“有”或“沒(méi)有”）影響?！镜淅?】（2022·北京·模擬預(yù)測(cè)）某物理興趣小組利用傳感器進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖所示。裝置中水平光滑直槽能隨豎直轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將滑塊套在水平直槽上，用細(xì)線將滑塊與固定的力傳感器連接。當(dāng)滑塊隨水平光滑直槽一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，細(xì)線的拉力提供滑塊做圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力。拉力的大小可以通過(guò)力傳感器測(cè)得，滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度可以通過(guò)角速度傳感器測(cè)得。（1）小組同學(xué)先讓一個(gè)滑塊做半徑r為SKIPIF1<0的圓周運(yùn)動(dòng)，得到圖甲中①圖線。然后保持滑塊質(zhì)量不變，再將運(yùn)動(dòng)的半徑r分別調(diào)整為SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，在同一坐標(biāo)系中又分別得到圖甲中②、③、④、⑤四條圖線。（2）對(duì)①圖線的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了SKIPIF1<0圖像，如圖乙所示，該圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，則圖像橫坐標(biāo)x代表的是________。（3）對(duì)5條SKIPIF1<0圖線進(jìn)行比較分析，得出SKIPIF1<0一定時(shí)，SKIPIF1<0的結(jié)論。請(qǐng)你簡(jiǎn)要說(shuō)明得到結(jié)論的方法_______。【典例6】（2021·全國(guó)·高三專(zhuān)題練習(xí)）某同學(xué)利用如圖所示的向心力演示器探究小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力F的大小與小球質(zhì)量m、轉(zhuǎn)速n和運(yùn)動(dòng)半徑r之間的關(guān)系。勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1，可使變速塔輪2和3以及長(zhǎng)槽4和短槽5隨之勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，槽內(nèi)的小球也隨之做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。使小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由橫臂6的擋板對(duì)小球的彈力提供。球?qū)醢宓姆醋饔昧Γㄟ^(guò)橫臂的杠桿作用使彈簧測(cè)力套筒7下降，從而露出標(biāo)尺8。根據(jù)標(biāo)尺8上露出的紅白相間等分標(biāo)記，可以粗略計(jì)算出兩個(gè)球所受向心力的比值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：(1)把兩個(gè)質(zhì)量相同的小球分別放在長(zhǎng)槽和短槽上，使它們的運(yùn)動(dòng)半徑相同，調(diào)整塔輪上的皮帶的位置，探究向心力的大小與_____的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中；(2)保持兩個(gè)小球質(zhì)量不變，調(diào)整塔輪上皮帶的位置，使與皮帶相連的左、右兩輪半徑SKIPIF1<0___SKIPIF1<0（選填“＞”、“＝”或“＜”），保證兩輪轉(zhuǎn)速相同，增大長(zhǎng)槽上小球的運(yùn)動(dòng)半徑，探究向心力的大小與運(yùn)動(dòng)半徑的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中；(3)使兩小球的運(yùn)動(dòng)半徑和轉(zhuǎn)速相同．改變兩個(gè)小球的質(zhì)量，探究向心力的大小與質(zhì)量的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中；次數(shù)轉(zhuǎn)速之比/SKIPIF1<0球的質(zhì)量SKIPIF1<0運(yùn)動(dòng)半徑SKIPIF1<0向心力大小SKIPIF1<0/紅白格數(shù)SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIP