物理必修 第二册2 向心力练习

实验:探究向心力大小的表达式

(25分钟　50分)

1.(15分)如图所示是探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系的实验装置图,转动手柄1,可使变速轮塔2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动。皮带分别套在轮塔2和3上的不同圆盘上,可使两个槽内的小球6、7分别以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8的挡板对小球的压力提供,球对挡板的反作用力,通过横臂8的杠杆作用使弹簧测力套筒9下降,从而露出标尺10,标尺10上露出的红白相间的等分格显示出两个球所受向心力的比值。那么:

(1)在该实验中应用了______　(选填“理想实验法”“控制变量法”或“等效替代法”)来探究向心力的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。 

(2)当用两个质量相等的小球做实验,且左边小球的轨道半径为右边小球的2倍时,转动时发现右边标尺上露出的红白相间的等分格数为左边的2倍,那么,左边轮塔与右边轮塔之间的角速度之比为______　。 

【解析】(1)由前面分析可知该实验采用的是控制变量法。

(2)线速度大小相等,则角速度与半径成反比,故可知左边轮塔与右边轮塔之间的角速度之比为1∶2。

答案:(1)控制变量法　(2)1∶2

2.(15分)如图甲所示是某同学探究做圆周运动的物体的向心力、轨道半径及线速度大小关系的实验装置,圆柱体放置在水平光滑圆盘上做匀速圆周运动。力传感器测量向心力F,速度传感器测量圆柱体的线速度大小v,该同学通过保持圆柱体质量和运动半径不变,来探究向心力F与线速度大小v的关系:

(1)该同学采用的实验方法为______　。 

A.等效替代法　B.控制变量法

C.理想化模型法

(2)改变线速度大小v,多次测量,该同学测出了五组F、v数据,如表所示。

该同学对数据分析后,在图乙坐标纸上描出了五个点。

①作出F-v2图线;

②若圆柱体运动半径r=0.2 m,由作出的F-v2的图线可得圆柱体的质量m=

______　kg。(结果保留2位有效数字) 

【解析】(1)实验中研究向心力和线速度大小的关系,保持圆柱体质量和运动半径不变,采用的实验方法是控制变量法,所以选项B是正确的。

(2)①作出F-v2图线,如图所示。

②根据F=知,图线的斜率k=,则有=,代入数据计算得出m=0.18 kg。

答案:(1)B　(2)①见解析图　②0.18

3.(20分)如图所示是“用圆锥摆实验验证向心力公式”的实验,细线下悬挂了一个质量为m的小钢球,细线上端固定在O点。将画有几个同心圆的白纸置于水平桌面上,使小钢球静止时(细线张紧)位于同心圆上。用手带动小钢球,使小钢球在水平面内做匀速圆周运动,随即手与球分离。(当地的重力加速度为g)。

(1)用秒表记录小钢球运动n圈的时间t,从而测出此时钢球做匀速圆周运动的周期T=______　。 

(2)再通过纸上的圆,测出小钢球做匀速圆周运动的半径R;可算出小钢球做匀速圆周运动所需的向心力F向=______　　。 

(3)测量出细线长度L,小钢球做匀速圆周运动时所受的合力F合=____________　　(小钢球的直径与线长相比可忽略)。 

(4)这一实验方法简单易行,但是有几个因素可能会影响实验的成功,请写出一条:____________　。 

【解析】(1)周期为转动一圈所经历的时间,故用总时间除以圈数即为周期,即T=。

(2)根据向心力计算公式,所需的向心力为F向=mR=。

(3)小钢球受力如图所示:

则合力F合=mgtanθ=mg。

(4)半径R比较难准确测量,小钢球是否做圆周运动等会影响实验成功。

答案:(1)　(2)

(3) mg

(4)半径R比较难准确测量,小钢球是否做圆周运动等合理即可