新教材适用2024版高考物理一轮总复习第4章曲线运动万有引力与航天实验6探究向心力大小与半径角速度质量的关系课件

这是一份新教材适用2024版高考物理一轮总复习第4章曲线运动万有引力与航天实验6探究向心力大小与半径角速度质量的关系课件，共41页。PPT课件主要包含了实验知识·自主回顾，核心考点·重点突破，年高考·1年模拟，16，重心的高度差等内容，欢迎下载使用。
实验六　探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
一、实验目的1．学会使用向心力演示器。2．探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。二、实验原理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。
三、实验器材向心力演示器
四、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，改变小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。
五、数据处理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，使两个小球转动的角速度之比分别为11、12和13，分别读出两球所需的向心力大小，将结果填入表一。
表一：m1＝m2，r1＝r2。
2.把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上，使半径之比为21；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，ω1＝ω2。
3.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，ω1＝ω2。
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，跟角速度的平方成正比。
六、注意事项1．定性分析实验中，轻小物体受到的重力与拉力相比可忽略。2．使用向心力演示仪时应注意(1)将横臂紧固螺钉旋紧，以防小球和其他部件飞出而造成事故。(2)摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个测力计的格数，达到预定格数时，即保持转速均匀恒定。
(2023·重庆高三阶段练习)在“探究向心力大小的表达式”实验中，所用向心力演示器如图a所示。图b是演示器部分原理示意图：其中皮带轮①、④的半径相同，轮②的半径是轮①的2倍，轮④的半径是轮⑤的2倍，两转臂上黑白格的长度相等。A、B、C为三根固定在转臂上的挡板，可对转臂上做圆周运动的实验球产生挤压，从而提供向心力，图(a)中的标尺1和2可以显示出两球所受向心力的大小关系。可供选择的实验球有：质量均为m的球1和球2，质量为2m的球3。
(1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时，我们主要用到了物理学中的___；A．理想实验法 B.等效替代法C．控制变量法 D.演绎法
(2)探究向心力与圆周运动轨道半径的关系时，为了保证球的质量相同要选择球1和球2，为了保证转动的角速度相等，所以实验时应将皮带与轮①和轮___相连；(3)选择球1和球3作为实验球，将球1放在挡板B，球3放在挡板C的位置，若实验时将皮带与轮②和轮⑤相连，球1和球3的向心力之比为____________。
[解析](1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时，我们通过控制m、ω、r中两个物理量相同，探究F与另一个物理量之间的关系，所以用到了控制变量法。故选C。动的角速度相等，应选择半径相同的塔轮用皮带相连，即将皮带与轮①和轮④相连。
(2023·贵州黔南模拟预测)某中学的物理航天兴趣小组通过观看“天空授课”引发思考，设计了一款可以在太空中测量物体质量的实验装置如图甲所示。有一圆盘桌面上放置一个质量未知的小球，小球与弹簧测力计通过细线连接，细线通过圆盘上的一个小孔，弹簧测力计的另一端通过另一细线固定于水平面上，A与B为同一个光电门的激光发射器和接收器，B与数字计时器相连，实验时可认为激光与小球的直径在一条直线上。小球处于太空环境中可认为与桌面无挤压，开始实验时轻推小球。
(1)通过游标卡尺测出小球的直径如图乙所示，请读出小球的直径d＝_______________ cm；(2)弹簧测力计的示数如图丙所示，请读出力F＝_________ N；(3)实验中测出小球运动的半径为r，通过光电门的时间Δt；(4)请写出小球质量的表达式m＝______(结果用F、d、r、Δt表示)。
[解析](1)游标卡尺的精确度为0.05 mm，故读数为d＝1.6 cm＋11×0.05 mm＝1.655 cm(2)由图丙所示弹簧测力计可知，其最小分度值为0.2 N，示数为2.8 N；
〔变式训练〕(2023·福建省龙岩模拟预测)某实验小组通过如图所示的装置验证向心力的表达式，滑块套在水平杆上，随杆一起绕竖直杆做匀速圆周运动，力传感器通过一细绳连接滑块，用来测量向心力F的大小，滑块上固定一遮光片，宽度为d，与固定在铁架台上的光电门可测量滑块的角速度ω、旋转半径为R，每经过光电门一次，通过力传感器和光电门就同时获得一组向心力F和角速度ω的数据。
1.(2023·北京模拟预测)探究向心力大小F与物体的质量m、角速度ω和轨道半径r的关系实验。(1)本实验所采用的实验探究方法与下列哪些实验是相同的______；A．探究平抛运动的特点B．探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系C．探究两个互成角度的力的合成规律D．探究加速度与物体受力、物体质量的关系
(2)某同学用向心力演示器进行实验，实验情景如甲、乙、丙三图所示。a．三个情境中，图____是探究向心力大小F与质量m关系(选填“甲”“乙”“丙”)。b．在甲情境中，若两钢球所受向心力的比值为14，则实验中选取两个变速塔轮的半径之比为_________。
[解析](1)在这个实验中，利用控制变量法来探究向心力的大小与小球质量，角速度，半径之间的关系；探究平抛运动的特点，例如两球同时落地，两球在竖直方向上的运动效果相同，应用了等效思想，故A不符合题意；当一个物理量与多个物理量相关时，应采用控制变量法，探究该物理量与某一个量的关系，如B实验中，保持原线圈输入的电压U1一定，探究副线圈输出的电压U2与匝数n1，n2的关系，故B符合题意；探究两个互成角度的力的合成规律，即两个分力与合力的作用效果相同，采用的是等效替代的思想，故C不符合题意；探究加速度与物体受力、物体质量的关系是通过控制变量法研究的，故D符合题意。
(2)a.根据F＝mrω2可知，要探究向心力大小F与质量m关系，需控制小球的角速度和半径不变，由图可知，两侧采用皮带传动，所以两侧具有相等的线速度，根据皮带传动的特点可知，应该选择两个塔轮的半径相等，而且运动半径也相同，选取不同质量的小球，故丙符合题意。b．由图可知，两个球的质量相等，半径相同，根据牛顿第二定律F＝mRω2，F′＝mRω′2两个塔轮边缘的线速度相等v＝v′根据v＝rω，v′＝r′ω′联立可得两个变速塔轮的半径之比为rr′＝21
2．(2023·全国高三专题练习)利用如图所示装置验证向心加速度an与线速度v的关系。四分之一圆弧轨道固定在水平桌面上，末端与上表面很小的压力传感器表面相切，水平地面上依次铺放好木板、白纸、复写纸。将小球从圆弧轨道某一点静止释放，经轨道末端飞出，落到铺着复写纸和白纸的木板上，在白纸上留下点迹，由同一位置重复释放几次，记录每次压力传感器的示数；改变小球在圆弧轨道上的释放位置，重复上述实验步骤。(当地的重力加速度为g)
(1)为了完成实验，下列操作正确的是______。A．必须选择光滑的圆弧轨道B．固定圆弧轨道时，末端必须水平C．实验中应选择密度小的小球D．确定小球在白纸上的落点时，用尽可能小的圆把所有落点圈住，圆心即为平均落点
(2)某次实验时记录的压力传感器示数为F，并测出小球的质量为m，小球的向心加速度an＝_________。(3)实验除了记录压力传感器示数F，测量小球的质量m外，还需要测量轨道末端距地面的高度h、水平位移x、圆弧轨道半径R，则要验证向心加速度an与线速度v的关系，只需要验证_______________表达式即可(用测量的数据表示)。
[解析](1)这个实验验证向心加速度an与线速度v的关系，而线速度v由平抛运动来进行测量，不用考虑圆弧轨道是否光滑，故A错误；线速度v由平抛运动来进行测量，平抛运动要求初速度沿水平方向，所以固定圆弧轨道时，末端必须水平，故B正确；实验中应选择密度大的小球，可以减小空气阻力的影响，故C错误；确定小球在白纸上的落点时，用尽可能小的圆把所有落点圈住，圆心即为平均落点，这样可以减小实验的偶然误差，故D正确。
3．(2023·湖北高三专题练习)北京是既举办过夏季奥运又举办过冬奥会的城市，花样滑冰是冬奥会上一个极具观赏性的比赛项目。小明和小乐同学在观看双人花样滑冰比赛时，看到男运动员拉着女运动员的手以男运动员为轴旋转(如图a所示)，他们开始讨论运动员旋转快慢跟什么条件有关，于是就设计了一个实验来探究影响运动员旋转周期的因素。他们在实验室准备了铁架台、栓有细绳的小钢球、毫米刻度尺和秒表，已知当地的重力加速度为g。该同学实验操作步骤如下：
(1)将铁架台放在水平桌面上，将小球悬挂在铁架台横杆上，按如图b所示固定好刻度尺，使刻度尺的零刻度与绳子结点处于同一高度。(2)给小球一个初速度，并经过调整尽量使小球在水平方向上做圆周运动，这样小球的运动可以看作是匀速圆周运动。小明立刻拿着秒表开始计时并数小球圆周运动的圈数，从他按下秒表的那一刻开始数0，当数到n时停秒表，秒表显示的时间为t，则小球做圆周运动的周期T0＝___。在小明数数计时的过程中，小乐同学负责从刻度尺上读出铁架台上绳子结点到圆平面的竖直高度h1，多次测量后取平均值h。
(3)由匀速圆周运动规律，小球做圆周运动周期的表达式为T＝_________(用以上题目所给出的符号表示)。(4)代入所测数据经过计算，若T0≈T，则可以证明运动员的旋转快慢与_________________________________________________________ ________________有关。
悬挂点到圆周运动圆心的竖直高度有关(男运动员肩部与女运动员