2027年高考物理一轮复习学案练习含答案04-第四章 曲线运动06-实验6 探究向心力大小与半径、角速度和质量的关系（教用）

这是一份2027年高考物理一轮复习学案练习含答案04-第四章 曲线运动06-实验6 探究向心力大小与半径、角速度和质量的关系（教用），共42页。试卷主要包含了教材原型实验，创新拓展实验等内容，欢迎下载使用。
探究点一 教材原型实验
一、实验目的
1.学会使用向心力演示器。
2.会用控制变量法探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。
3.体会用作图法处理数据及化曲为直的思想。
二、实验器材
向心力演示器、质量不等的小球。
三、实验原理
本实验探究了向心力大小与多个物理量之间的关系，因而实验方法采用了_ _ _ _ _ _ _ _ 。如图所示，匀速转动手柄，可以使变速塔轮、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，此时小球向外挤压挡板，挡板对小球有一个向内（指向圆心）的弹力作为小球做匀速圆周运动的向心力，而该向心力大小可以通过标尺上露出的等分标记粗略表示。
在实验过程中可以通过两个小球同时做圆周运动对照，分别分析下列情形：
（1） 在_ _ _ _ _ _ _ _ 一定的情况下，探究向心力大小与角速度的关系。
控制变量法
【答案】质量、半径
（2） 在_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一定的情况下，探究向心力大小与半径的关系。
【答案】质量、角速度
（3） 在_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一定的情况下，探究向心力大小与质量的关系。
【答案】半径、角速度
四、实验步骤
1.分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的两个槽中，且小球到转轴（即圆心）距离相同即圆周运动半径相同，将皮带放置在适当位置使两变速塔轮转动，记录不同角速度对应的向心力大小。
2．分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的长槽和短槽中，小球到转轴（即圆心）距离不同即圆周运动半径不等，将皮带放置在适当位置使两变速塔轮转动角速度_ _ _ _ ，记录不同半径对应的向心力大小。
【答案】相等
3.分别将两个质量不相等的小球放在实验仪器的两个槽中，且小球到转轴（即圆心）距离相同即圆周运动半径相等，将皮带放置在适当位置使两变速塔轮转动角速度相等，记录不同质量对应的向心力大小。
五、实验数据处理
分别作出_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 、Fn−r、Fn−m图像，分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系，并得出结论。
【答案】Fn−ω2
六、误差分析
1.污渍、生锈等使小球质量变化，带来的误差。
2.仪器不水平带来的误差。
3.标尺读数不准带来的误差。
4.皮带打滑带来的误差。
七、注意事项
转动手柄时应缓慢加速，注意观察其中一个标尺露出的格数。达到预定格数时，即保持转速恒定，观察并记录其余读数。
例1 ［2023·浙江1月选考卷·16-Ⅰ（2），3分］“探究向心力大小的表达式”实验装置如图所示。
① 采用的实验方法是_ _ _ _ 。
A. 控制变量法B. 等效法C. 模拟法
② 在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 之比（选填“线速度大小”“角速度二次方”或“周期二次方”）；在加速转动手柄过程中，左右标尺露出红白相间等分标记的比值_ _ _ _ （选填“不变”“变大”或“变小”）。
【答案】① A
② 角速度二次方；不变
【解析】
① 本实验是为了探究向心力与影响它的多个因素的关系，故采用控制变量法。
② 根据向心力Fn=mrω2可知，当m、r一定时，标尺露出的等分标记的比值即向心力之比，等于角速度二次方之比，且加速转动过程比值保持不变。
探究点二 创新拓展实验
例2 某实验小组为了验证小球所受向心力与角速度、半径的关系，设计了如图甲所示的实验装置，转轴MN由电动机带动，转速可调，固定在转轴上O点的力传感器通过轻绳连接一质量为m的小球，一根固定在转轴上的光滑水平直杆穿过小球，保证小球在水平面内转动，直杆最外端插一小遮光片P，小球每转一周遮光片P通过右边光电门时可记录遮光片最外端的挡光时间，某次实验操作如下：
（1） 用螺旋测微器测量遮光片P的宽度d，测量结果如图乙所示，则d=_ _ _ _ mm。
（2） 如图甲所示，安装好实验装置，用刻度尺测量遮光片最外端到转轴上O点的距离记为L1，测量小球球心到转轴上O点的距离记为L2。开动电动机，让小球转动起来，某次遮光片通过光电门的时间为t，则小球此时的角速度大小为_ _ _ _ _ _ _ _ 。（用字母d、t、L1、L2中的部分字母表示）
（3） 验证向心力与半径的关系时，让电动机匀速转动，遮光片P每次通过光电门的时间相同，调节小球球心到转轴上O点的距离L2，测出每一个L2以及其对应的力传感器的示数F，得出多组数据，画出F−L2的关系图像应该为_ _ _ _ 。
A. B. C.
（4） 验证向心力与角速度的关系时让小球球心到转轴上O点的距离L2不变，调节电动机转速，遮光片P每次通过光电门的时间不同，记录每次挡光时间t同时记录此时力传感器的示数F，得出多组F与t的数据，为了准确验证小球所受向心力F与角速度ω 的关系，根据实验数据应画_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ （选填“F−t”“F−t2”“F−1t”或“F−1t2”）图像。
【答案】（1） 1.880
（2） dL1t
（3） A
（4） F−1t2
【解析】
（1） 根据螺旋测微器的读数原理得d=1.5mm+38.0×0.01mm=1.880mm。
（2） 遮光片通过光电门的线速度大小为v=dt，小球此时的角速度与遮光片的角速度相等，为ω=vr=dL1t。
（3） 遮光片每次通过光电门的时间相同，L1、d不变，则ω 不变，由F=mω2L2，可知F−L2的关系图像为过原点的倾斜直线，故选A。
（4） 由F=mω2L2=m×(dtL1)2×L2=md2L2L12⋅1t2可知，为了准确验证小球所受向心力F与角速度ω 的关系，根据实验数据应画F−1t2图像。
例3 （2025·吉林重点中学三模）某同学常用身边的器材来完成一些物理实验。如图甲，他将手机放在蔬菜沥水器中侧壁竖直的蔬菜篮底部，紧靠侧壁边缘竖直放置，从慢到快转动手柄，可以使手机随蔬菜篮转动，手机和蔬菜篮始终相对静止，利用手机自带的软件可以记录手机与蔬菜篮侧壁间压力F和角速度ω 的数值。
（1） 保持手机到竖直转轴的距离r不变，更换不同质量的手机（均可看作质点），重复上述操作，利用电脑拟合出两次的F−ω2图像，由图像乙可知，直线_ _ _ _ （选填“1”或“2”）对应的手机质量更大。
（2） 保持手机质量不变，使用半径不同的蔬菜篮重复上述步骤，测出手机到竖直转轴的距离r，作出对应的F−ω 图像，在同一坐标系中分别得到图丙中的5条图线。对5条图线进行分析研究可知图线_ _ _ _ （选填“①”“②”“③”“④”或“⑤”）对应的半径r最大。
（3） 图丙中图线不过坐标原点的原因是_ _ _ _ 。
A. 手机到竖直转轴的距离r的测量值偏小
B. 手机和蔬菜篮底部间存在摩擦力
C. 手机和蔬菜篮侧壁间存在摩擦力
【答案】（1） 1
（2） ①
（3） B
【解析】
（1） 对手机，根据牛顿第二定律有F=mω2r，故F−ω2图像的斜率为k=mr，因为r不变，故斜率大的对应的质量大，所以直线1对应的手机质量更大。
（2） 根据F=mω2r可知，当m、ω 相同时，r大的对应的F大，故图线①对应的半径r最大。
（3） 由图丙可知，当ω 增大到一定程度时，手机与蔬菜篮侧壁间才有压力作用，原因应是手机和蔬菜篮底部间存在摩擦力，故选B。
温馨提示 请完成《分层突破训练》课时作业25