《向心力》圆周运动PPT(第2课时实验:探究向心力大小的表达式)
第一部分内容：必备知识·素养奠基
【实验目的】
1.定性感知向心力的大小与什么因素有关。
2.学会使用向心力演示器。
3.探究向心力与质量、角速度、半径的定量关系。
【实验原理与设计】
1.实验原理
探究方法:控制变量法。
2.实验设计
(1)定性感知实验设计思路:如图所示,细线穿在圆珠笔的杆中,一端拴住小物体,另一端用一只手牵住,另一只手抓住圆珠笔杆并用力转动,使小物体做圆周运动,可近似地认为作用在小物体上的细线的拉力提供了圆周运动所需的_______,而细线的拉力可用牵住细线的手的感觉来判断。
(2)定量分析实验设计思路:
①控制小球质量和半径不变,探究向心加速度与_______的关系。
②控制小球质量和角速度不变,探究向心加速度与_____的关系。
③控制小球半径和角速度不变,探究向心加速度与_____的关系。
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向心力PPT，第二部分内容：关键能力·素养形成
【实验过程】
一、实验步骤
1.向心力大小与哪些因素有关的定性感知。
(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)换成质量不同的小球,分别使两小球的转动半径相同。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。
二、数据收集与分析
1.m、r一定
2.m、ω一定
3.r、ω一定
4.分别作出F向-ω2、F向-r、F向-m的图像。
5.实验结论:
(1)在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与角速度的平方成正比。
(2)在质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与半径成正比。
(3)在半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与质量成正比。
【思考·讨论】
1.使用向心力演示仪时应注意哪方面安全问题? (科学态度与责任)
提示: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.使用向心力演示仪时怎样读出测力套筒的格数? (科学探究)
提示:摇动手柄时应力求缓慢加速,注意观察其中一个测力套筒的格数。达到预定格数时,即保持转速均匀恒定。
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向心力PPT，第三部分内容：实验研析·素养迁移
类型一 影响向心力大小的因素的定性分析
【典例1】如图所示,同学们分小组探究影响向心力大小的因素。同学们用细绳系一纸杯(杯中有30 mL的水)在空中甩动,使杯在水平面内做圆周运动,来感受向心力。
(1)则下列说法中正确的是____________。
A.保持质量、绳长不变,增大转速,绳对手的拉力将不变
B.保持质量、绳长不变,增大转速,绳对手的拉力将增大
C.保持质量、角速度不变,增大绳长,绳对手的拉力将不变
D.保持质量、角速度不变,增大绳长,绳对手的拉力将增大
(2)如图甲,绳离杯心40 cm处打一结点A,80 cm处打一结点B,学习小组中一位同学用手表记时,另一位同学操作,其余同学记录实验数据:
操作一:手握绳结A,使杯在水平方向每秒运动一周,体会向心力的大小。
操作二:手握绳结B,使杯在水平方向每秒运动一周,体会向心力的大小。
操作三:手握绳结A,使杯在水平方向每秒运动二周,体会向心力的大小。
操作四:手握绳结A,再向杯中添加30 mL的水,使杯在水平方向每秒运动一周,体会向心力的大小。
则:①操作二与一相比较:质量、角速度相同,向心力的大小与转动半径大小有关;
操作三与一相比较:质量、半径相同,向心力的大小与角速度的大小有关;
操作四与一相比较:____________相同,向心力大小与____________有关;
②物理学中此种实验方法叫______________法。
③小组总结阶段,在空中甩动纸杯,使杯在水平面内做圆周运动的同学谈感受时说:“感觉手腕发酸,感觉力的方向不是指向圆心的向心力而是背离圆心的离心力,跟书上说的不一样”你认为该同学的说法是否正确,为什么? _________________。
【解析】(1)由题意,根据向心力公式,F向=mω2r,由牛顿第二定律,则有T拉=mω2r;保持质量、绳长不变,增大转速,根据公式可知,绳对手的拉力将增大,故A错误,B正确;保持质量、角速度不变,增大绳长,根据公式可知,绳对手的拉力将变大,故C错误,D正确。
(2)根据向心力公式 F向=mω2r,由牛顿第二定律,则有T拉=mω2r ;操作二与一相比较:质量、角速度相同,向心力的大小与转动半径大小有关;操作三与一相比较:质量、半径相同,向心力的大小与角速度的大小有关;操作四与一相比较:角速度、半径相同,向心力大小与质量有关;物理学中此种实验方法叫控制变量法。该同学受力分析的对象是自己的手,我们实验受力分析的对象是纸杯,细线的拉力提供纸杯做圆周运动的向心力指向圆心。细线对手的拉力与“向心力”大小相等,方向相反,背离圆心。
类型二 影响向心力大小因素的定量分析
【典例2】控制变量法是物理实验探究的基本方法之一。如图是用控制变量法探究向心力大小与质量m、角速度ω和半径r之间关系的实验情境图,其中:
(1)探究向心力大小与质量m之间关系的是图____________;
(2)探究向心力大小与角速度ω之间关系的是图____________。
【解析】探究向心力大小与质量m之间的关系保证角速度相同,而质量不同,所以是图丙。探究向心力大小与角速度ω之间的关系,保证质量相同,而角速度不同,所以是图甲。
答案:(1)丙 (2)甲
类型三 实验创新
用圆锥摆验证向心力表达式
【典例3】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)测量出细绳长度L,小钢球做匀速圆周运动时所受的合力F合=____________(小钢球的直径与绳长相比可忽略)。
(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:__________________。
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