实验六探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
考点一原型实验
一、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、运动半径的定量关系。
二、实验原理
1．探究方法：控制变量法。
2．定性感知实验设计思路
如图所示，细线穿在圆珠笔的杆中，一端拴住小球，另一端用一只手牵住，另一只手抓住圆珠笔杆并用力转动，使小球做圆周运动，可近似地认为作用在小球上的细线的拉力提供了小球做圆周运动所需的向心力，而细线的拉力可用牵住细线的手的感觉来判断。
3．定量分析实验设计思路
（1）控制小球质量和运动半径不变，探究向心力大小与角速度的关系。
（2）控制小球质量和角速度不变，探究向心力大小与运动半径的关系。
（3）控制小球运动半径和角速度不变，探究向心力大小与质量的关系。
三、实验器材
质量不同的小球若干，空心圆珠笔杆，细线（长约60cm），向心力演示器。
1．转动手柄2、3．变速塔轮4．长槽5．短槽6．横臂7．测力套筒8．标尺
四、实验步骤
1．向心力大小与哪些因素有关的定性感知。
（1）在小球的质量和角速度不变的条件下，改变小球做圆周运动的半径进行实验。
（2）在小球的质量和做圆周运动的半径不变的条件下，改变小球的角速度进行实验。
（3）换用不同质量的小球，在小球的角速度和做圆周运动的半径不变的条件下，进行实验。
2．向心力与质量、角速度、运动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）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。注意小球的向心力的大小与转动半径的关系。
（2）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。注意小球的向心力的大小与角速度的关系。
（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。注意小球的向心力的大小与质量的关系。
（4）重复几次以上实验。
五、数据处理
1．m、ω一定
序号
1
2
3
4
5
6
F向
r
2．m、r一定
序号
1
2
3
4
5
6
F向
ω
ω2
3．r、ω一定
序号
1
2
3
4
5
6
F向
m
4．分别作出F向－r、F向－ω2、F向－m的图像。
六、实验结论
1．在小球质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与做圆周运动的半径成正比。
2．在小球质量和做圆周运动的半径一定的情况下，向心力的大小与角速度的平方成正比。
3．在小球做圆周运动的半径和角速度一定的情况下，向心力的大小与质量成正比。
4．精确的实验，可得出向心力的大小或。
七、注意事项
1．定性感知实验中，轻小球受到的重力与拉力相比可忽略。
2．使用向心力演示器时应注意：
（1）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）摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个测力套筒上标尺的格数。达到预定格数时，保持转速均匀恒定。
（2024·山东省·联考题）向心力演示器如图所示。
（1）本实验采用的实验方法是__________。
A．控制变量法B．等效法C．模拟法
（2）若将传动皮带套在两塔轮半径相同的圆盘上，质量相同的两钢球分别放在不同位置的挡板处，转动手柄，可探究小球做圆周运动所需向心力F的大小与__________（选填“m”、“ω”或“r”）的关系。
（3）若将皮带套在两轮塔最下面圆盘上（两圆盘半径之比为3∶1），质量相同的两钢球放在图示位置的挡板处，转动手柄，稳定后，观察到左侧标尺露出1格，右侧标尺露出9格，则可以得出的实验结论为：______________________________________________________________________。
（1）A；
（2）r；
（3）质量和半径一定的条件下，物体做圆周运动需要的向心力与角速度的平方成正比。
（1）本实验采用的实验方法是控制变量法，A正确。
（2）若将传动皮带套在两塔轮半径相同的圆盘上，则角速度ω相同，质量m相同的两钢球分别放在不同位置的挡板处，则转动半径r不同，转动手柄，可探究小球做圆周运动所需向心力F的大小与半径r的关系。
（3）若将皮带套在两轮塔最下面圆盘上（两圆盘半径之比为3∶1），则角速度之比为1∶3；质量相同的两钢球放在图示位置的挡板处，转动半径相同；转动手柄，稳定