备战2025届新高考物理一轮总复习练习第4章抛体运动与圆周运动第6讲实验探究向心力大小与半径角速度质量的关系

这是一份备战2025届新高考物理一轮总复习练习第4章抛体运动与圆周运动第6讲实验探究向心力大小与半径角速度质量的关系，共6页。


甲
乙
(1)本实验的目的是探究向心力的大小与小球质量m、角速度ω和半径r之间的关系,下列实验中采用的实验方法与本实验相同的是 。
A.用油膜法估测油酸分子的大小
B.用单摆测量重力加速度的大小
C.探究加速度与物体受力、物体质量的关系
(2)在某次实验中,把两个质量相等的钢球放在A、C位置,探究向心力的大小与半径的关系,则需要将传动皮带调至第 (选填“一”“二”或“三”)层塔轮。
(3)在另一次实验中,把两个质量相等的钢球放在B、C位置,传动皮带位于第二层,转动手柄,则当塔轮匀速转动时,左右两标尺露出的格子数之比约为 。
A.1∶2B.1∶4
C.2∶1D.4∶1
2.(2024广东深圳高三校考)为探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系,某实验小组通过如图甲所示的装置进行实验。滑块套在水平杆上,随水平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,光电门可以记录遮光片通过的时间,测得旋转半径为r。滑块随杆匀速圆周运动,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。
甲
(1)为了探究向心力与角速度的关系,需要控制 和 保持不变,某次旋转过程中遮光片经过光电门时的遮光时间为Dt,则角速度ω= ;
(2)以F为纵坐标,以为横坐标,可在坐标纸中描出数据点作一条如图乙所示直线,图线不过坐标原点的原因是 。
乙
3.(2024广东广州模拟)某物理兴趣小组利用传感器进行“探究向心力大小F与半径r、角速度ω、质量m的关系”实验,实验装置如图甲所示,装置中水平光滑直杆能随竖直转轴一起转动,将滑块套在水平直杆上,用细线将滑块与固定的力传感器连接。当滑块随水平光滑直杆一起匀速转动时,细线的拉力提供滑块做圆周运动的向心力。拉力的大小可以通过力传感器测得,滑块转动的角速度可以通过角速度传感器测得。
甲
乙
丙
(1)小组同学先让一个滑块做半径r为0.20 m的圆周运动,得到图乙中②图线。然后保持滑块质量不变,再将运动的半径r分别调整为0.14 m、0.16 m、0.18 m、0.22 m,在同一坐标系中又分别得到图乙中⑤、④、③、①四条图线。
(2)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
(3)对②图线的数据进行处理,获得了F-x图像,如图丙所示,该图像是一条过原点的直线,则图像横坐标x代表的是 。(用半径r、角速度ω、质量m表示)
4.(2024山东济南模拟)某同学用如图甲所示的装置探究钢质小球自由摆动至最低点时的速度大小与此时细线拉力的关系。其中,力传感器显示的是小球自由摆动过程中各个时刻细线拉力的大小,光电门测量的是小球通过光电门的挡光时间Δt。
(1)调整细线长度,使细线悬垂时,小球中心恰好位于光电门中心;
(2)要测量小球通过光电门的速度,还需测出 (写出需要测量的物理量及其表示符号),小球通过光电门的速度表达式为v= ;
(3)改变小球通过光电门的速度重复实验,测出多组速度v和对应拉力T的数据,作出T-v2图像如图乙所示。已知当地重力加速度为9.7 m/s2,则由图像可知,小球的质量为 kg,光电门到悬点的距离为 m。
5.(2024广东广州第十六中学期中)某小组设计了“利用圆锥摆验证圆周运动向心力表达式”实验。实验器材包括:直流电动机(可调节转速)、细竹棒、细线、小球(质量为m,可看成质点)、铁架台(带铁夹)、刻度尺、细棉线长度为L、胶水。实验步骤如下:
甲
乙
丙
①如图甲所示,用胶水把细竹棒中心固定在电动机转轴上;
②按图乙把直流电动机固定在铁架台上,细竹棒保持水平,用导线把电动机接入电路中;
③把一端系有小球的细棉线系牢在细竹棒的一端,测出系线处到转轴的距离x;合上开关,电动机转动,使小球在水平面上做匀速圆周运动,调节电动机的转速,使小球转速在人眼可分辨范围为宜。
④测出小球做圆周运动的半径r。
⑤用秒表测出小球转20圈所用时间t,求出小球转动周期T。
⑥实验中小球做圆周运动时摆角为θ,改变电动机转速,重复上述过程多次(5次),作出tan θ-图像如图丙所示。
根据实验请完成以下内容:
(1)如图乙所示,可求sin θ= (用L、x、r表示);向心力F= (用m、θ、重力加速度g表示)。
(2)步骤⑤可求小球圆周运动的周期T= 。
(3)分析图丙,如果tan θ与成 (选填“正比”或“反比”)关系,直线的斜率值与表达式 (用π和重力加速度g表示)相等,则向心力公式的正确性得到验证。
参考答案
第6讲 实验:探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
1.答案 (1)C (2)一 (3)B
解析 (1)探究向心力的大小与小球质量m、角速度ω和半径r之间的关系,采用的实验方法是控制变量法。用油膜法估测油酸分子的大小,采用的实验方法是通过测量宏观量来测量微观量,故A错误;用单摆测量重力加速度的大小,分别测量出摆长和周期,通过单摆周期公式计算得到重力加速度大小,不是采用控制变量法,故B错误;探究加速度与物体受力、物体质量的关系,采用的实验方法是控制变量法,故C正确。
(2)在某次实验中,把两个质量相等的钢球放在A、C位置,探究向心力的大小与半径的关系,应使两球的角速度相同,则需要将传动皮带调至第一层塔轮。
(3)在另一次实验中,把两个质量相等的钢球放在B、C位置,则两球做圆周运动的半径相等;传动皮带位于第二层,则两球做圆周运动的角速度之比为ω左∶ω右=R2∶2R2=1∶2,根据F=mω2r可知,当塔轮匀速转动时,左右两标尺露出的格子数之比约为F左∶F右==1∶4,故选B。
2.答案 (1)滑块质量 旋转半径 (2)滑块受到摩擦力
解析 (1)根据控制变量法,为了探究向心力与角速度的关系,需要控制滑块质量和旋转半径不变。
滑块转动的线速度为v=,其中v=ωr,则ω=。
(2)图线不过坐标原点的原因是:滑块和水平杆之间有摩擦力,开始一段时间,摩擦力提供向心力,当摩擦力达到最大值后,才存在绳子拉力。
3.答案 (2)BD
(3)ω2(或mω2等带ω2即可)
解析 (2)本实验所采用的实验探究方法是保持滑块质量不变,探究运动半径在不同值时,滑块的向心力大小与角速度之间的关系,属于控制变量法,与“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验的探究方法相同;“探究平抛运动的特点”和“探究两个互成角度的力的合成规律”两实验的探究方法是等效法。故选B、D。
(3)②图线中各图线均为曲线,对②图线的数据进行分析可以看出,当ω增大为原来的2倍时,F增大为原来的4倍,当ω增大为原来的3倍时,F增大为原来的9倍……可知,F与ω2成正比,以F为纵轴,ω2为横轴,则图像是一条过原点的直线,故图丙图像横坐标x代表的是ω2。
4.答案 (2)小球的直径d
(3)0.05 1.0
解析 (2)根据速度公式v=知,要测量速度,需要知道钢球在挡光时间内的位移,即小球的直径d,速度表达式为v=。
(3)小球摆至最低点时,由向心力公式得细线的拉力T=mg+v2,当小球速度为零时拉力最小,此时拉力与重力相等,对比图线可知mg=0.485N,解得m=0.05kg,由k=,解得r=1.0m。
5.答案(1) mgtan θ (2) (3)正比
解析 (1)sinθ=。小球在运动过程中受到重力和绳子的拉力,重力和绳子的拉力的合力提供小球做圆周运动的向心力,或者是绳子拉力的水平分量提供向心力,故F=mgtanθ。
(2)小球做圆周运动的周期为T=。
(3)根据向心力公式可知Fn=mgtanθ=mr,则tanθ=,可以推测tanθ-图像是直线,且其斜率为一常量。如果tanθ与成正比关系(即图像是过原点的一条直线),直线的斜率值的表达式为,则向心力公式的正确性得到验证。