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实验六探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
一、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大小与物体的质量、角速度和轨道半径的关系.
二、实验原理
1.探究方法:控制变量法.
2.实验思路
(1)控制两物体的质量和转动半径相同,探究向心力大小与转动角速度的定量关系.
(2)控制两物体的质量和转动角速度相同,探究向心力大小与转动半径的定量关系.
(3)控制两物体的转动半径和角速度相同,探究向心力大小与物体质量的定量关系.
三、实验器材
向心力演示器(如图所示),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).
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.
四、实验步骤
1.把两个质量相同的小球分别放在长槽和短槽上,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同.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转动半径的关系.
3.换成质量不同的球,分别使两球的转动半径相同.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小球质量的关系.
4.重复几次以上实验.
五、数据处理
分别作出Fn?ω2、Fn?r、Fn?m的图像,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.
(1)在质量和轨道半径一定的情况下,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,向心力的大小与轨道半径成正比.
(3)在轨道半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与质量成正比.
六、误差分析
1.污渍、生锈等使小球的质量、轨道半径变化,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.
七、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.
例1[2024·福建福州一中模拟]如图甲所示为向心力演示仪,某同学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ω和半径r之间的关系.长槽的A、B处和短槽的C处分别到各自转轴中心距离之比为1∶2∶1,该同学设计了如图乙所示的三种组合方式,变速塔轮自上而下每层左右半径之比分别为1∶1、2∶1和3∶1.
(1)本实验的目的是探究向心力的大小F与小球质量m、角速度ω和半径r之间的关系,下列实验中采用的实验方法与本实验相同的是;(填选项前的字母)?
A.探究两个互成角度的力的合成规律
B.探究平抛运动的特点
C.探究加速度与物体受力、物体质量的关系
(2)在某次实验中,探究向心力的大小与半径的关系,则需要将传动皮带调至第(选填“一”“二”或“三”)层塔轮;?
(3)按(2)中正确选择后,两次以不同的转速匀速转动手柄,左、右测力套筒露出等分标记如图丙所示.则向心力大小F与球做圆周运动半径r的关系是.?
丙
A.F与r2成反比
B.F与r2成正比
C.F与r成反比
D.F与r成正比
(4)在另一次实验中,把两个质量相等的钢球放在A、C位置,传动皮带位于第二层,转动手柄,当塔轮匀速转动时,左右两标尺露出的格子数之比约为.?
A.2∶1
B.8∶1
C.1∶2
D.1∶4
[反思感悟]
?
变式1[2024·陕西西安一中模拟]一物理兴趣小组利用学校实验室的数字实验系统探究物体做圆周运动时向心力与角速度、半径的关系.
(1)首先,他们让一砝码做半径r为0.08m的圆周运动,数字实验系统通过测量和计算得到若干组向心力F和对应的角速度ω,如下表.请你根据表中的数据在图甲中绘出F?ω的关系图像.
实验序号
1
2
3
4
5
6
7
F/N
2.42
1.90
1.43
0.97
0.50
0.23
0.06
ω/(rad·s-1)
28.8
25.7
22.0
18.0
13.0
8.5
4.3
(2)通过对图像的观察,兴趣小组的同学猜测F与ω2成正比.他们认为,可以通过进一步转换,作出的关系图像来确定他们的猜测是否正确.?
(3)在证实了F∝ω2之后,他们将砝码做圆周运动的半径r再分别调整为0.04m、0.12m,
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