2022届高考物理一轮突破实验六 探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系

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实验六　探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系
【实验过程】
一、实验仪器
二、实验步骤
1．向心力大小与哪些因素有关的定性分析：
(1)在小物体的质量和角速度不变的条件下，改变小物体做圆周运动的半径进行
实验。
(2)在小物体的质量和做圆周运动的半径不变的条件下，改变物体的角速度进行
实验。
(3)换用不同质量的小物体，在角速度和半径不变的条件下，重复上述操作。
2．向心力与质量、角速度、半径关系的定量分析：
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。
(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。
【数据处理】
1．m、r一定：
序号 1 2 3 4 5 6
F向
ω
ω2
2.m、ω一定：
序号 1 2 3 4 5 6
F向
r
3.r、ω一定：
序号 1 2 3 4 5 6
F向
m
4.分别作出 F向ω2、F向r、F向m的图象。
5．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。
【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，应力求转速缓慢均匀增加。
4．皮带跟塔轮之间要拉紧。
【实验创新】
探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系的实验原理为控制变量法，即
通过控制变量探究向心力大小的影响因素。本实验的创新有两个视角。
视角一：不改变实验目的，实验目的仍为探究向心力大小的影响因素，但改变
实验装置，即电动机带动转台做圆周运动的方法(利用力传感器和光电计时器
等)。
视角二：不改变实验装置，改变实验目的，分析利用该装置还可以求向心力的
比值。
教材原型实验
【典例 1】探究向心力的大小 F与质量 m、角速度 ω和半径 r之间的关系的实验
装置如图所示。转动手柄，可使塔轮、长槽和短槽随之匀速转动。塔轮自上而
下有三层，每层左右半径比分别是 1 1∶ 、2 1∶ 和 3 1∶ 。左右塔轮通过皮带连接，
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