新教材2021-2022版高中物理鲁科版必修2课件：3.2.2 探究影响向心力大小的因素

【实验原理与设计】 1.实验的基本思想—— 控制变量法。 (1)变量的控制要求。 在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。 (2)设计思路。 ①若要讨论向心力与质量的关系，应控制_半__径__、_角__速__度__不变。 ②若要讨论向心力与半径的关系，应控制_质__量__、_角__速__度__不变。 ③若要讨论向心力与角速度的关系，应控制_质__量__、_半__径__不变。
数据收集与分析 1.列F、m数据收集表： 把不同质量的小球放在长槽和短槽内，确保小球的转动半径和角速度相同，把 小球的向心力和质量填在表中。
实验序号 质量 向心力
1
2
3
4
5
2.作F-m图像的方法： 以F为纵坐标、m为横坐标，根据数据作F-m图像，用曲线拟合测量点，找出规 律，分析F与m的关系。
3.列F、r数据收集表格： 把相同质量的小球分别放长槽和短槽内，在相同角速度下，将不同转动半径下 的向心力填在表中。
4.收集数据：转动手柄，观测向心力的大小和质量的关系。 5.改变转动半径：换成两质量相同的小球，分别放于长槽和短槽上，增大长槽 上小球的转动半径。转动手柄，观察向心力的大小和半径的关系。 6.改变小球的角速度：将质量相同的两小球分别置于长槽和短槽上，确保两小 球转动半径相同，改变皮带连接的两个塔轮，根据两个塔轮半径关系求解小球 做圆周运动的角速度关系。
实验研析·创新学习
【生活情境】 类型一 教材原型实验
【典例1】如图所示是探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关 系的实验装置图，转动手柄1，可使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速 转动，皮带分别套在塔轮2和3上的不同圆盘上，可使两个槽内的小球6、7分别 以不同的角速度做匀速圆周运动，小球做圆周运动的向心力由横臂8的挡板对 小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过横臂8的杠杆作用使弹簧测力套 筒9下降，从而露出标尺10，标尺10上露出的红白相间的等分格显示出两个球 所受向心力的比值。那么：
【思考·讨论】 (1)本实验中怎样保证小球做匀速圆周运动？ 提示：摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个测力计的格数，达到预 定格数时，即保持手柄均匀转动，以此确保小球做匀速圆周运动。
(2)使用向心力演示仪时应注意哪些安全问题？ 提示：①实验之前，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实验中快速转动手柄时，注意扶住实验装置，以免其倾覆。
实验序号
1
2
3
4
5
半径
向心力
4.作F-r图像的方法： 以F为纵坐标、r为横坐标，根据数据作F-r图像，用曲线拟合测量点，找出规 律，分析F与r的关系。
5.列F、ω数据收集表格： 把相同质量的小球分别放长槽和短槽内，使两小球的转动半径相等，将不同角 速度下的向心力填在表中。
实验序号 角速度ω
1
2
3
【思考·讨论】(1)本实验中为什么探究向心力与物体的质量m、半径r和角速 度ω的关系，而不是探究向心力与物体的质量m、半径r和线速度v的关系？ 提示：角速度相对于线速度测量更方便。
(2)为什么研究向心力F与角速度ω关系时，画的不是F-ω图像，而是F-ω2的图 像？ 提示：F-ω图像不是线性关系，而F-ω2的图像却转化为线性关系，更直观地反 映出在其他物理量不变的情况下，F与ω2成正比。
(1)现将两小球分别放在两边的槽内，为了探究小球受到的向心力大小和角速 度的关系，下列说法中正确的是_______。 A.在小球运动半径相等的情况下，用质量相同的小球做实验 B.在小球运动半径相等的情况下，用质量不同的小球做实验 C.在小球运动半径不等的情况下，用质量不同的小球做实验 D.在小球运动半径不等的情况下，用质量相同的小球做实验 (2)在该实验中应用了_____________(选填“理想实验法”“控制变量法”或 “等效替代法”)来探究向心力的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关 系。
3.实验设计——四个物理量的测量方法 (1)质量的测量：用_天__平__直接测量。 (2)向心力的测量：由塔轮中心标尺露出的等分格的格数读出。 (3)轨道半径的测量：刻度尺测量小球所放位置到转轴的距离。 (4)角速度的测量：通过转速确定角速度。
实验过程·探究学习
实验步骤 1.测量质量：分别用天平测量各小球的质量，并做标记。 2.调节两轮角速度：用皮带连接两半径相同的塔轮，以确保运动过程中角速度 不变。 3.释放小球：将两质量不相等的小球分别放于长槽和短槽上，调整小球的位置， 使两球的转动半径相同。
第2课时 探究影响向心力大小 的因素
必备知识·自主学习
【实验目的】 (1)探究向心力与质量、轨道半径、角速度间的关系。 (2)学会用_控__制__变__量__法__探究物理规律。 (3)领会从定性到定量的认识方法。 【实验器材】
向心力演示仪、_质__量__不__等__的__小__球__、天平等。 思考：向心力的影响因素与物体的质量m、轨道半径r和角速度ω都有关系， 那怎么研究它们之间的定量关系？ 提示：实验应采用控制变量的思想研究问题。
误差分析 1.测量、操作带来的偶然误差： ①质量测量误差。 ②半径读数误差。 ③向心力读数误差。 2.仪器本身带来的系统误差： ①天平调零误差。 ②向心力演示仪的手柄转动误差(不能保证匀速转动)。
【思考·讨论】 根据误差分析，请从实验仪器的角度提出减小误差的方法。 提示：换用DIS向心力实验器来操作，直接用力传感器测量向心力的大小，用 光电门测量挡光时间，进而直接求出角速度的大小，借助DIS数据采集器以及 计算机等工具直接分析F与m、r和ω的定量关系。
(3)实验思想的拓展。 这种控制一些物理量不变，先分别研究待测量与其中一个物理量的关系，再综 合解决问题的控制变量法，被广泛应用于科学研究中。
2.实验原理： (1)保持小球轨道半径r、角速度ω不变。 通过填放不同小球的方式改变小球的质量m，得到相应的向心力F，则可得F与m 的关系。 (2)保持小球质量m、角速度ω不变。 通过改变小球运行轨迹半径r，得到相应的向心力F，则可得F与r的关系。 (3)保持小球质量m、轨道半径r不变。 通过改变不同传动轮的方式改变小球的角速度，得到相应的向心力F，则可得F 与ω的关系
4
5角速度Biblioteka 平方ω2向心力6.作F-ω2图像的方法： 以F为纵坐标、ω2为横坐标，根据数据作F-ω2图像，用曲线拟合测量点，找出 规律，分析F与ω2的关系 7.实验结论： (1)在转动半径和角速度相同时，向心力与质量成正比。 (2)在质量和角速度相同时，向心力与转动半径成正比。 (3)在转动半径和质量相同时，向心力与角速度的平方成正比。