专题29探究向心力（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

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2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练第五章  圆周运动专题29  探究向心力第一部分  知识点精讲1．实验目的：(1)学会使用向心力演示器；(2)通过实验探究向心力与半径、角速度、质量的关系。2．实验仪器：向心力演示器(如图)，三个金属球(半径相同，其中两个为质量相同的钢球，另一个为质量是钢球一半的铝球)。3．实验原理如图所示，匀速转动手柄1，可以使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球也随着做匀速圆周运动。使小球做匀速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，通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒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。4．实验步骤及观察结果(1)调整标尺，使两根标尺起点和套筒上口处于同一水平面上，皮带放在第一挡，转速为1∶1的皮带盘处，质量相同的两钢球分别放在两个槽上半径相等的横臂挡板内侧，然后摇动手柄，观察到标尺读数始终相等。(2)将长槽上钢球由第一挡板内侧移至第二挡板内侧，此时两个质量相同的钢球转动半径之比为2∶1，转动手柄，观察到标尺格数之比为2∶1。(3)将长槽上的钢球换成铝球，并移至第一挡板内侧，两个金属球质量比为1∶2，转动手柄，观察到标尺格数之比为1∶2。(4)把皮带放在第二挡，转速之比为2∶1，将长槽上铝球换成钢球，转动手柄，两球角速度之比为2∶1，观察到标尺格数之比为4∶1。(5)将皮带放在第三挡，转速之比为3∶1，转动手柄，两球角速度之比为3∶1，观察到标尺格数之比为9∶1。5．实验结论由步骤(1)及其结果可知，半径、角速度、质量相同时，向心力大小相同；由步骤(2)及其结果可知，角速度、质量相同时，向心力与半径成正比；由步骤(3)及其结果可知，半径、角速度相同时，向心力与质量成正比；由步骤(4)(5)及其结果可知，半径、质量相同时，向心力与角速度的平方成正比。由以上可推知：Fn＝mω2r。6．实验误差(1)污渍、生锈等使小球质量半径变化，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。7．注意事项(1)实验前要做好横臂支架安全检查，检查螺钉是否有松动，保持仪器水平。(2)实验时转速应从慢到快，且转速不宜过快，以免损坏测力计弹簧。(3)注意防止皮带打滑，尽可能保证ω比值不变。(4)注意仪器的保养，延长仪器使用寿命，并提高实验可信度。 第二部分 最新高考题精选1.（6分）（2015全国理综I·22）某物理小组的同学设计了一个粗侧玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验。所用器材有：玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器（圆弧部分的半径为R=0.20m）。 完成下列填空：（1）将凹形桥模拟器静置于托盘秤上，如图（a）所示，托盘秤的示数为1.00kg;（2）将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时，托盘秤的示数如图（b）所示，该示数为______kg; （3）将小车从将凹形桥模拟器某一位置释放，小车经过最低点后滑向另一侧，此过程中托盘秤的最大示数为m；多次从同一位置释放小车，记录各次的m值如下表所示： （4）根据以上数据，可求出小车经过将凹形桥最低点时对桥的压力为____N，小车经过将凹形桥最低点时的速度大小为____m/s，(重力加速度大小取9.80m/s2.计算结果保留2位有效数字)第三部分 最新模拟题精选1.（2022北京丰台区高三下一模）11．某物理兴趣小组利用传感器进行探究，实验装置原理如图所示。装置中水平光滑直槽能随竖直转轴一起转动，将滑块套在水平直槽上，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槽一起匀速转动时，细线的拉力提供滑块做圆周运动需要的向心力。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。（1）小组同学先让一个滑块做半径r为的圆周运动，得到图甲中①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、、、，在同一坐标系中又分别得到图甲中②、③、④、⑤四条图线。（2）对①图线的数据进行处理，获得了图像，如图乙所示，该图像是一条过原点的直线，则图像横坐标x代表的是________。（3）对5条图线进行比较分析，得出一定时，的结论。请你简要说明得到结论的方法_______。2. （2022山东济宁兖州高一期中）如图所示为某研学小组的同学们用圆锥摆验证向心力表达式的实验情景。在具体的计算中可将小球视为质点，小球的质量为m，重力加速度为g。部分实验步骤如下：①用天平测出钢球的质量m；②将钢球用细线拉起，贴近钢球，在其下方平放一张画有多个同心圆的白纸，使其圆心恰好位于悬点正下方；③使钢球做圆锥摆运动；④通过纸上的圆对照得出钢球做匀速圆周运动的轨迹；⑤用秒表测量钢球的转动周期；⑥用刻度尺测出轨迹的半径；（1）小球做匀速圆周运动所受的向心力是________（选填选项前的字母）；A．小球所受绳子的拉力B．小球所受的重力C．小球所受拉力和重力的合力（2）在某次实验中，小球沿半径为r的圆做匀速圆周运动，用秒表记录了小球运动n圈的总时间t，则小球做此圆周运动的向心力大小=________（用m、n、t、r及相关的常量表示）；用刻度尺测得细线上端悬挂点到画有圆周纸面的竖直高度为h，那么对小球进行受力分析可知，小球做此圆周运动所受的合力大小F=_______（用m、h、r及相关的常量表示）；（3）保持n的取值不变，改变h和r进行多次实验，可获取不同时间t。研学小组的同学们想用图像来处理多组实验数据，若小球所受的合力F与向心力大小相等，则这些图像中合理的是________选填选项的字母。A． B．   C．   D．3. （2022山东济宁期中）用如图所示的装置来探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度和半径r之间的关系。两个变速塔轮通过皮带连接，转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮匀速转动，槽内的钢球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对钢球的压力提供向心力，钢球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比值，如图是探究过程中某次实验时装置的状态。（1）本实验采用的科学方法是___________。A．放大法     B．累积法    C．微元法      D．控制变量法（2）在研究向心力的大小F与质量m的关系时，要保持________相同。（3）若两个钢球质量和转动半径相等，图中标尺上红白相间的等分格显示出两个小球所受向心力的比值为1：4，与皮带连接的两个变速塔轮的半径之比为_________。4．(6分)(2021·吉林松原市高一月考)如图所示为某课题小组设计的探究圆周运动向心力的实验装置。有机玻璃支架上固定一个直流电动机，电动机转轴上固定一个半径为r的塑料圆盘，圆盘中心正下方用细线连接一个重锤，圆盘边缘连接细绳，细绳另一端连接一个小球。实验操作如下：①利用天平测量小球的质量m，记录当地的重力加速度g的大小；②闭合电源开关，让小球做如图所示的匀速圆周运动，调节激光笔2的高度和激光笔1的位置，使激光笔1射出的激光束竖直、激光笔2射出的激光束水平，并让激光都恰好照射到小球的中心，水平激光束与竖直细线的交点为O；③当小球第一次到达A点看到反射光时开始计时，并记录为1次，最后记录小球n次到达A点的时间t；④切断电源，待小球停止转动，设法用刻度尺测量点O到竖直激光束的距离R和点O到塑料圆盘的距离h；⑤改变质量、转速、绳长或半径等物理量，重启电源，如上所述反复多次实验，并记录相关数据。全部结束后，整理器材。请回答下列问题：(1)下列说法正确的是__  __A．小球运动的周期为B．小球运动的线速度大小为C．小球运动的向心力大小为D．若电动机转速增加，激光笔1、2应分别左移、升高(2)该小组换用较长的细绳连接同一个小球做第二次实验，调整转动的角速度，但使小球转动的半径R保持不变。第二次实验跟第一次实验相比，角速度__ __，小球做圆周运动所受的向心力__ __(均选填“变大”、“变小”或“不变”)。5.（2021福建漳州二模）一同学通过图甲所示的装置探究物体做圆周运动的向心力与质量、轨道半径及线速度的关系。滑块套在光滑水平杆上，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与固定在铁架台上的光电门可测量滑块的线速度v。该同学先保持滑块质量和半径不变，来探究向心力与线速度的关系。（1）该同学采用的实验方法主要是       （填写正确答案的标号）A．理想模型法B．控制变量法C．等效替代法（2）用螺旋测微器测量遮光片的宽度d，示数如图乙所示，则d=       mm。（3）该同学通过改变转速测量多组数据，记录力传感器示数F，算出对应的线速度v及v2的数值。以v2为横轴，F为纵轴，作出F- v2图线，如图丙所示。若滑块运动半径r=0.2m，由图线可得滑块质量m=      kg（保留两位有效数字）。6．(2019·福建泉州二模)(6分)某同学做验证向心力与线速度关系的实验，装置如图所示，一轻质细线上端固定在拉力传感器上，下端悬挂一小钢球。钢球静止时刚好位于光电门中央。主要实验步骤如下：①用游标卡尺测出钢球直径d；②将钢球悬挂静止不动，此时力传感器示数为F1，用米尺量出线长L；③将钢球拉到适当的高度处释放，光电门计时器测出钢球的遮光时间为t，力传感器示数的最大值为F2；已知当地的重力加速度大小为g，请用上述测得的物理量表示：(1)钢球经过光电门时的线速度表达式v＝________，向心力表达式F向＝m＝________。(2)钢球经过光电门时的所受合力的表达式F合＝________。(3)若在实验误差允许的范围内F向＝F合，则验证了向心力与线速度的关系。该实验可能的误差有：________________________。(写出一条即可)