高中人教版 (2019)2 向心力学案设计

这是一份高中人教版 (2019)2 向心力学案设计，共9页。学案主要包含了向心力，变速圆周运动和一般的曲线运动等内容，欢迎下载使用。

1.知道什么是向心力，知道向心力的作用，知道它是根据力的作用效果命名的.
2.会分析向心力的来源，掌握向心力的表达式，并能用来进行计算.
3.体验向心力的存在，会设计相关实验，探究向心力与物体的质量、速度和轨道半径的关系，体会控制变量法在研究多个物理量关系中的应用.
4.知道变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点.
新课内容
一、向心力
1.定义：做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向________，这个指向________的力叫作向心力.
2.方向：始终沿着________指向________ .
3.作用：只改变速度的________，不改变速度的________.
4.向心力是根据力的________命名的，它由________________________提供.
5.表达式：
二、变速圆周运动和一般的曲线运动
1.变速圆周运动的合力：变速圆周运动的合力产生两个方向的效果，如图1所示.
(1)跟圆周相切的分力Ft：改变线速度的______.
(2)指向圆心的分力Fn：改变线速度的______.
2.一般的曲线运动的处理方法
(1)一般的曲线运动：运动轨迹既不是______也不是______的曲线运动.
(2)处理方法：可以把曲线分割为许多很短的小段，每一小段可以看作 ______ 的一部分，分析质点经过曲线上某位置的运动时，可以采用______运动的分析方法来处理.
即学即用
1.判断下列说法的正误.
(1)做匀速圆周运动的物体的向心力是恒力.( )
(2)向心力和重力、弹力一样，都是根据性质命名的.( )
(3)向心力可以是物体受到的某一个力，也可以是物体受到的合力.( )
(4)变速圆周运动的向心力并不指向圆心.( )
(5)做变速圆周运动的物体所受合力的大小和方向都改变.( )
2.如图2所示，圆柱形转筒绕其竖直中心轴转动，小物体贴在圆筒内壁上随圆筒一起转动而不滑落.则下列说法正确的是
A.小物体受到重力、弹力、摩擦力和向心力共4个力的作用
B.小物体随筒壁做圆周运动的向心力是由摩擦力提供的
C.筒壁对小物体的摩擦力随转速增大而增大
D.筒壁对小物体的弹力随转速增大而增大
实验：探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系
明确原理 提炼方法
探究方案一 用绳和沙袋定性研究
1.实验原理
如图3(a)所示，绳子的一端拴一个小沙袋(或其他小物体)，将手举过头顶，使沙袋在水平面内做匀速圆周运动，此时沙袋所受的向心力近似等于____________.
2.实验步骤
在离小沙袋重心40 cm的地方打一个绳结A，在离小沙袋重心80 cm的地方打另一个绳结B.同学甲看手表计时，同学乙按下列步骤操作：
操作一 手握绳结A，如图(b)所示，使沙袋在水平面内做匀速圆周运动，每秒转动1周.体会此时绳子拉力的大小.
操作二 手仍然握绳结A，但使沙袋在水平面内每秒转动2周，体会此时绳子拉力的大小.
操作三 改为手握绳结B，使沙袋在水平面内每秒转动1周，体会此时绳子拉力的大小.
操作四 手握绳结A，换用质量较大的沙袋，使沙袋在水平面内每秒转动1周，体会此时绳子拉力的大小.
(1)通过操作一和二，比较在__________相同的情况下，向心力大小与角速度的关系.
(2)通过操作一和三，比较在_____、_____相同的情况下，向心力大小与半径的关系.
(3)通过操作一和四，比较在_____ 、 _____ 相同的情况下，向心力大小与质量的关系.
3.实验结论：半径越_____，角速度越_____，质量越_____，向心力越大.
探究方案二 用向心力演示器定量探究
1.实验原理
向心力演示器如图4所示，匀速转动手柄1，可使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动.皮带分别套在塔轮2和3上的不同圆盘上，可使两个槽内的小球分别以几种不同的角速度做匀速圆周运动.小球做圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过横臂的杠杆使弹簧
测力套筒7下降，从而露出标尺8，根据标尺8上露出的
红白相间等分标记，可以粗略计算出两个球所受向心力的比值.
2.实验步骤
(1)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上，小球转动半径和转动角速度相同时，探究向心力与小球质量的关系.
(2)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上，小球转动角速度和质量相同时，探究向心力与转动半径的关系.
(3)皮带套在塔轮2、3半径不同的圆盘上，小球质量和转动半径相同时，探究向心力与角速度的关系.
探究方案三 利用力传感器和光电传感器探究
1.实验原理与操作
如图5所示，利用力传感器测量重物做圆周运动的向心力，利用天平、刻度尺、光电传感器分别测量重物的质量m、做圆周运动的半径r及角速度ω.实验过程中，力传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示力的大小.光电传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示挡光杆挡光的时间，由挡光杆的宽度和挡光杆做圆周运动的半径，可得到重物做圆周运动的角速度.
精析典题 提升能力
一、定性研究影响向心力大小的因素
例1 如图6甲所示，某实验小组探究影响向心力大小的因素.用细绳系一纸杯(杯中有30 mL的水)，将手举过头顶，使杯在水平面内做圆周运动.
(1)下列说法中正确的是________.
A.保持质量、绳长不变，增大转速，绳对手的拉力将不变
B.保持质量、绳长不变，增大转速，绳对手的拉力将增大
C.保持质量、角速度不变，增大绳长，绳对手的拉力将不变
D.保持质量、角速度不变，增大绳长，绳对手的拉力将增大
(2)如图乙，绳离杯心40 cm处打一结点A,80 cm处打一结点B，学习小组中一位同学手表计时，另一位同学操作.
操作一：手握绳结A，使杯在水平面内每秒运动一周，体会向心力的大小.
操作二：手握绳结B，使杯在水平面内每秒运动一周，体会向心力的大小.
操作三：手握绳结A，使杯在水平面内每秒运动二周，体会向心力的大小.
操作四：手握绳结A，再向杯中添加30 mL的水，使杯在水平面
内每秒运动一周，体会向心力的大小.
则：①操作二与一相比较：质量、角速度相同，向心力的大小与转动半径大小有关；
操作三与一相比较：质量、半径相同，向心力的大小与角速度有关；
操作四与一相比较：_____________相同，向心力大小与_____有关；
②物理学中此种实验方法叫__________法.
③小组总结阶段，在空中甩动，使杯在水平面内做圆周运动的同学谈感受时说：“感觉手腕发酸，感觉力的方向不是指向圆心的向心力而是背离圆心的离心力，跟书上说的不一样”，你认为该同学的说法是否正确，为什么？
答案 说法不正确.该同学受力分析的对象是自己的手，我们实验受力分析的对象是纸杯(包括水)，细绳对纸杯(包括水)的拉力提供纸杯(包括水)做圆周运动的向心力，指向圆心.细绳对手的拉力与细绳对纸杯(包括水)的拉力大小相等、方向相反，背离圆心.
二、定量研究影响向心力大小的因素
例2 用如图7所示的装置可以探究做匀速圆周运动的物体需要的向心力的大小与哪些因素有关.
(1)本实验采用的科学方法是________.
A.控制变量法 B.累积法
C.微元法 D.放大法
(2)图示情景正在探究的是________.
A.向心力的大小与半径的关系
B.向心力的大小与线速度大小的关系
C.向心力的大小与角速度的关系
D.向心力的大小与物体质量的关系
(3)通过本实验可以得到的结论是________.
A.在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度成正比
B.在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与线速度的大小成正比
C.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
D.在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与半径成反比
随堂演练 逐点落实
1.某同学为感受向心力的大小与哪些因素有关，做了一个小实验：绳的一端拴一小球，手牵着绳在空中甩动，使小球在水平面内做圆周运动(如图11所示)，则下列说法中正确的是
A.保持绳长不变，增大角速度，绳对手的拉力将不变
B.保持绳长不变，增大角速度，绳对手的拉力将增大
C.保持角速度不变，增大绳长，绳对手的拉力将不变
D.保持角速度不变，增大绳长，绳对手的拉力将减小
2.(多选)(2018·北京市大兴区上学期期末)向心力演示仪可以利用控制变量法探究向心力的大小与质量、角速度和半径之间的关系.它通过皮带传动改变两轮的转速，让两轮上的实心小球(体积相同)同时做圆周运动，然后通过连动装置使安放在圆盘中心套筒中的弹簧产生形变，利用形变大小来反映向心力的大小，形变越大，露出的标尺格数越多.采用如图12所示的实验装置，可以实现的实验目的和观察到的现象是
A.控制角速度和半径相同，研究向心力大小与质量的关系
B.控制半径相同，研究向心力大小与角速度大小的关系
C.钢球比铝球的质量大，钢球一侧露出的标尺格数多
D.钢球比铝球的质量大，铝球一侧露出的标尺格数多
3.如图13所示是一种简易的圆周运动向心力演示仪，图中A、B 为两个穿在水平滑杆上并通过棉线与转轴相连的重锤.试结合下列演示现象，分析影响向心力的因素.
(1)使线长LA＝LB，质量mA＞mB，加速转动横杆.
现象：连接 A的棉线先断.
表明：在半径和角速度一定的条件下，圆周运动所需向心力随_________的增大而增大.
(2)使质量mA＝mB，线长LA＞LB，加速转动横杆.
现象：连接A的棉线先断.
表明：在物体质量和角速度一定的条件下，圆周运动所需向心力随_________的增大而增大.