2022年新教材高中物理6.2.2實驗：探究向心力大小的表達(dá)式課件新人教版必修2

1、第2課時實驗:探究向心力大小的表達(dá)式 【實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康摹?.1.定性感知向心力的大小與什么因素有關(guān)。定性感知向心力的大小與什么因素有關(guān)。2.2.學(xué)會使用向心力演示器。學(xué)會使用向心力演示器。3.3.探究向心力與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系。探究向心力與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系?！緦嶒炂鞑膶嶒炂鞑摹?【實驗原理與設(shè)計實驗原理與設(shè)計】1.1.實驗原理實驗原理探究方法探究方法: :控制變量法?？刂谱兞糠ā?.2.實驗設(shè)計實驗設(shè)計(1)(1)定性感知實驗設(shè)計思路定性感知實驗設(shè)計思路: :如下圖如下圖, ,細(xì)線穿在圓珠筆細(xì)線穿在圓珠筆的桿中的桿中, ,一端拴住小物體一端拴住小物體, ,另一端用一只手

2、牽住另一端用一只手牽住, ,另一只另一只手抓住圓珠筆桿并用力轉(zhuǎn)動手抓住圓珠筆桿并用力轉(zhuǎn)動, ,使小物體做圓周運動使小物體做圓周運動, ,可可近似地認(rèn)為作用在小物體上的細(xì)線的拉力提供了圓周近似地認(rèn)為作用在小物體上的細(xì)線的拉力提供了圓周運動所需的運動所需的_,_,而細(xì)線的拉力可用牽住細(xì)線的手而細(xì)線的拉力可用牽住細(xì)線的手的感覺來判斷。的感覺來判斷。向心力向心力(2)(2)定量分析實驗設(shè)計思路定量分析實驗設(shè)計思路: :控制小球質(zhì)量和半徑不變控制小球質(zhì)量和半徑不變, ,探究探究向心加速度與向心加速度與_的關(guān)系。的關(guān)系?？刂菩∏蛸|(zhì)量和角速度不變控制小球質(zhì)量和角速度不變, ,探究向心加速度與探究向心加速度與

3、_的關(guān)系。的關(guān)系。控制小球半徑和角速度不變控制小球半徑和角速度不變, ,探究向心加速度與探究向心加速度與_的關(guān)系。的關(guān)系。角速度角速度半徑半徑質(zhì)量質(zhì)量【實驗過程】【實驗過程】一、實驗步驟一、實驗步驟1.1.向心力大小與哪些因素有關(guān)的定性感知。向心力大小與哪些因素有關(guān)的定性感知。(1)(1)在小物體的質(zhì)量和角速度不變的條件下在小物體的質(zhì)量和角速度不變的條件下, ,改變小物改變小物體做圓周運動的半徑進(jìn)展實驗。體做圓周運動的半徑進(jìn)展實驗。(2)(2)在小物體的質(zhì)量和做圓周運動的半徑不變的條件下在小物體的質(zhì)量和做圓周運動的半徑不變的條件下, ,改變物體的角速度進(jìn)展實驗。改變物體的角速度進(jìn)展實驗。(3)

4、(3)換用不同質(zhì)量的小物體換用不同質(zhì)量的小物體, ,在角速度和半徑不變的條在角速度和半徑不變的條件下件下, ,重復(fù)上述操作。重復(fù)上述操作。 2.2.向心力與質(zhì)量、角速度、半徑關(guān)系的定量分析。向心力與質(zhì)量、角速度、半徑關(guān)系的定量分析。勻速轉(zhuǎn)動手柄勻速轉(zhuǎn)動手柄, ,可以使塔輪、長槽和短槽勻速轉(zhuǎn)動可以使塔輪、長槽和短槽勻速轉(zhuǎn)動, ,槽槽內(nèi)的小球也就隨之做勻速圓周運動。這時內(nèi)的小球也就隨之做勻速圓周運動。這時, ,小球向外擠小球向外擠壓擋板壓擋板, ,擋板對小球的反作用力提供了小球做勻速圓周擋板對小球的反作用力提供了小球做勻速圓周運動的向心力。同時運動的向心力。同時, ,小球壓擋板的力使擋板另一端壓小

5、球壓擋板的力使擋板另一端壓縮彈簧測力套筒里的彈簧縮彈簧測力套筒里的彈簧, ,彈簧的壓縮量可以從標(biāo)尺上彈簧的壓縮量可以從標(biāo)尺上讀出讀出, ,該讀數(shù)顯示了向心力大小。該讀數(shù)顯示了向心力大小。(1)(1)把兩個質(zhì)量一樣的小球放在長槽和短槽上把兩個質(zhì)量一樣的小球放在長槽和短槽上, ,使它們的使它們的轉(zhuǎn)動半徑一樣。調(diào)整塔輪上的皮帶轉(zhuǎn)動半徑一樣。調(diào)整塔輪上的皮帶, ,使兩個小球的角速使兩個小球的角速度不一樣。注意向心力的大小與角速度的關(guān)系。度不一樣。注意向心力的大小與角速度的關(guān)系。(2)(2)保持兩個小球質(zhì)量不變保持兩個小球質(zhì)量不變, ,增大長槽上小球的轉(zhuǎn)動半徑增大長槽上小球的轉(zhuǎn)動半徑。調(diào)整塔輪上的皮帶。

6、調(diào)整塔輪上的皮帶, ,使兩個小球的角速度一樣。注意使兩個小球的角速度一樣。注意向心力的大小與半徑的關(guān)系。向心力的大小與半徑的關(guān)系。 (3)(3)換成質(zhì)量不同的小球換成質(zhì)量不同的小球, ,分別使兩小球的轉(zhuǎn)動半徑一分別使兩小球的轉(zhuǎn)動半徑一樣。調(diào)整塔輪上的皮帶樣。調(diào)整塔輪上的皮帶, ,使兩個小球的角速度也一樣。使兩個小球的角速度也一樣。注意向心力的大小與質(zhì)量的關(guān)系。注意向心力的大小與質(zhì)量的關(guān)系。(4)(4)重復(fù)幾次以上實驗。重復(fù)幾次以上實驗。二、數(shù)據(jù)收集與分析二、數(shù)據(jù)收集與分析、r r一定一定序號序號1 12 23 34 45 56 6F F向向2 2、一定一定序號序號1 12 23 34 45 5

7、6 6F F向向r r、一定一定序號序號1 12 23 34 45 56 6F F向向m m4.4.分別作出分別作出F F向向-2 2、F F向向-r-r、F F向向-m-m的圖像。的圖像。5.5.實驗結(jié)論實驗結(jié)論: :(1)(1)在質(zhì)量和半徑一定的情況下在質(zhì)量和半徑一定的情況下, ,向心力的大小與角速向心力的大小與角速度的平方成正比。度的平方成正比。(2)(2)在質(zhì)量和角速度一定的情況下在質(zhì)量和角速度一定的情況下, ,向心力的大小與半向心力的大小與半徑成正比。徑成正比。(3)(3)在半徑和角速度一定的情況下在半徑和角速度一定的情況下, ,向心力的大小與質(zhì)向心力的大小與質(zhì)量成正比。量成正比?！?/p>

8、思考【思考討論】討論】1.1.使用向心力演示儀時應(yīng)注意哪方面平安問題使用向心力演示儀時應(yīng)注意哪方面平安問題? (? (科學(xué)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任態(tài)度與責(zé)任) )提示提示: :將橫臂緊固螺釘旋緊將橫臂緊固螺釘旋緊, ,以防小球和其他部件飛出以防小球和其他部件飛出而造成事故。而造成事故。2.2.使用向心力演示儀時怎樣讀出測力套筒的格數(shù)使用向心力演示儀時怎樣讀出測力套筒的格數(shù)? (? (科科學(xué)探究學(xué)探究) )提示提示: :搖動手柄時應(yīng)力求緩慢加速搖動手柄時應(yīng)力求緩慢加速, ,注意觀察其中一個注意觀察其中一個測力套筒的格數(shù)。到達(dá)預(yù)定格數(shù)時測力套筒的格數(shù)。到達(dá)預(yù)定格數(shù)時, ,即保持轉(zhuǎn)速均勻恒即保持轉(zhuǎn)速均勻恒定。

9、定。類型一影響向心力大小的因素的定性分析類型一影響向心力大小的因素的定性分析【典例【典例1 1】如下圖】如下圖, ,同學(xué)們分小組探究影響向心力大小同學(xué)們分小組探究影響向心力大小的因素。同學(xué)們用細(xì)繩系一紙杯的因素。同學(xué)們用細(xì)繩系一紙杯( (杯中有杯中有30 mL30 mL的水的水) )在在空中甩動空中甩動, ,使杯在水平面內(nèi)做圓周運動使杯在水平面內(nèi)做圓周運動, ,來感受向心力來感受向心力。(1)(1)那么以下說法中正確的選項是那么以下說法中正確的選項是_。A.A.保持質(zhì)量、繩長不變保持質(zhì)量、繩長不變, ,增大轉(zhuǎn)速增大轉(zhuǎn)速, ,繩對手的拉力將不繩對手的拉力將不變變B.B.保持質(zhì)量、繩長不變保持質(zhì)量

10、、繩長不變, ,增大轉(zhuǎn)速增大轉(zhuǎn)速, ,繩對手的拉力將增繩對手的拉力將增大大C.C.保持質(zhì)量、角速度不變保持質(zhì)量、角速度不變, ,增大繩長增大繩長, ,繩對手的拉力將繩對手的拉力將不變不變D.D.保持質(zhì)量、角速度不變保持質(zhì)量、角速度不變, ,增大繩長增大繩長, ,繩對手的拉力將繩對手的拉力將增大增大(2)(2)如圖甲如圖甲, ,繩離杯心繩離杯心40 cm40 cm處打一結(jié)點處打一結(jié)點A,80 cmA,80 cm處打一處打一結(jié)點結(jié)點B,B,學(xué)習(xí)小組中一位同學(xué)用手表記時學(xué)習(xí)小組中一位同學(xué)用手表記時, ,另一位同學(xué)操另一位同學(xué)操作作, ,其余同學(xué)記錄實驗數(shù)據(jù)其余同學(xué)記錄實驗數(shù)據(jù): :操作一操作一: :

11、手握繩結(jié)手握繩結(jié)A,A,使杯在水平方向每秒運動一周使杯在水平方向每秒運動一周, ,體體會向心力的大小。會向心力的大小。操作二操作二: :手握繩結(jié)手握繩結(jié)B,B,使杯在水平方向每秒運動一周使杯在水平方向每秒運動一周, ,體體會向心力的大小。會向心力的大小。 操作三操作三: :手握繩結(jié)手握繩結(jié)A,A,使杯在水平方向每秒運動二周使杯在水平方向每秒運動二周, ,體體會向心力的大小。會向心力的大小。操作四操作四: :手握繩結(jié)手握繩結(jié)A,A,再向杯中添加再向杯中添加30 mL30 mL的水的水, ,使杯在水使杯在水平方向每秒運動一周平方向每秒運動一周, ,體會向心力的大小。體會向心力的大小。那么那么: :

12、操作二與一相比較操作二與一相比較: :質(zhì)量、角速度一樣質(zhì)量、角速度一樣, ,向心力向心力的大小與轉(zhuǎn)動半徑大小有關(guān)的大小與轉(zhuǎn)動半徑大小有關(guān); ;操作三與一相比較操作三與一相比較: :質(zhì)量、半徑一樣質(zhì)量、半徑一樣, ,向心力的大小與向心力的大小與角速度的大小有關(guān)角速度的大小有關(guān); ;操作四與一相比較操作四與一相比較:_:_一樣一樣, ,向心力大小與向心力大小與_有關(guān)有關(guān); ; 物理學(xué)中此種實驗方法叫物理學(xué)中此種實驗方法叫_法。法。小組總結(jié)階段小組總結(jié)階段, ,在空中甩動紙杯在空中甩動紙杯, ,使杯在水平面內(nèi)做使杯在水平面內(nèi)做圓周運動的同學(xué)談感受時說圓周運動的同學(xué)談感受時說:“:“感覺手腕發(fā)酸感覺手

13、腕發(fā)酸, ,感覺力感覺力的方向不是指向圓心的向心力而是背離圓心的離心力的方向不是指向圓心的向心力而是背離圓心的離心力, ,跟書上說的不一樣你認(rèn)為該同學(xué)的說法是否正確跟書上說的不一樣你認(rèn)為該同學(xué)的說法是否正確, ,為為什么什么? _? _?！窘馕觥俊窘馕觥?1)(1)由題意由題意, ,根據(jù)向心力公式根據(jù)向心力公式,F,F向向=m2r,=m2r,由牛由牛頓第二定律頓第二定律, ,那么有那么有T T拉拉=m2r;=m2r;保持質(zhì)量、繩長不變保持質(zhì)量、繩長不變, ,增大轉(zhuǎn)速增大轉(zhuǎn)速, ,根據(jù)公式可知根據(jù)公式可知, ,繩對手的拉力將增大繩對手的拉力將增大, ,故故A A錯錯誤誤,B,B正確正確; ;保持

14、質(zhì)量、角速度不變保持質(zhì)量、角速度不變, ,增大繩長增大繩長, ,根據(jù)公式根據(jù)公式可知可知, ,繩對手的拉力將變大繩對手的拉力將變大, ,故故C C錯誤錯誤,D,D正確。正確。(2)(2)根據(jù)向心力公式根據(jù)向心力公式 F F向向=m2r,=m2r,由牛頓第二定律由牛頓第二定律, ,那么有那么有T T拉拉=m2r ;=m2r ;操作二與一相比較操作二與一相比較: :質(zhì)量、角速度一樣質(zhì)量、角速度一樣, ,向向心力的大小與轉(zhuǎn)動半徑大小有關(guān)心力的大小與轉(zhuǎn)動半徑大小有關(guān); ;操作三與一相比較操作三與一相比較: :質(zhì)量、半徑一樣質(zhì)量、半徑一樣, ,向心力的大小與角速度的大小有關(guān)向心力的大小與角速度的大小有關(guān)

15、; ;操作四與一相比較操作四與一相比較: :角速度、半徑一樣角速度、半徑一樣, ,向心力大小與向心力大小與質(zhì)量有關(guān)質(zhì)量有關(guān); ;物理學(xué)中此種實驗方法叫控制變量法。該物理學(xué)中此種實驗方法叫控制變量法。該同學(xué)受力分析的對象是自己的手同學(xué)受力分析的對象是自己的手, ,我們實驗受力分析我們實驗受力分析的對象是紙杯的對象是紙杯, ,細(xì)線的拉力提供紙杯做圓周運動的向細(xì)線的拉力提供紙杯做圓周運動的向心力指向圓心。細(xì)線對手的拉力與心力指向圓心。細(xì)線對手的拉力與“向心力向心力大小相大小相等等, ,方向相反方向相反, ,背離圓心。背離圓心。答案答案:(1)B:(1)B、D D(2)(2)角速度角速度( (線速度線

16、速度) )、半徑質(zhì)量控制變量、半徑質(zhì)量控制變量說法不對說法不對, ,該同學(xué)受力分析的對象是自己的手該同學(xué)受力分析的對象是自己的手, ,我們我們實驗受力分析的對象是紙杯實驗受力分析的對象是紙杯, ,細(xì)線的拉力提供紙杯做圓細(xì)線的拉力提供紙杯做圓周運動的向心力指向圓心。細(xì)線對手的拉力與周運動的向心力指向圓心。細(xì)線對手的拉力與“向心向心力力大小相等大小相等, ,方向相反方向相反, ,背離圓心背離圓心類型二影響向心力大小因素的定量分析類型二影響向心力大小因素的定量分析【典例【典例2 2】控制變量法是物理實驗探究的根本方法之一】控制變量法是物理實驗探究的根本方法之一。如圖是用控制變量法探究向心力大小與質(zhì)量

17、。如圖是用控制變量法探究向心力大小與質(zhì)量m m、角速、角速度度和半徑和半徑r r之間關(guān)系的實驗情境圖之間關(guān)系的實驗情境圖, ,其中其中: :(1)(1)探究向心力大小與質(zhì)量探究向心力大小與質(zhì)量m m之間關(guān)系的是圖之間關(guān)系的是圖_;_;(2)(2)探究向心力大小與角速度探究向心力大小與角速度之間關(guān)系的是圖之間關(guān)系的是圖_?！窘馕觥刻骄肯蛐牧Υ笮∨c質(zhì)量【解析】探究向心力大小與質(zhì)量m m之間的關(guān)系保證角速之間的關(guān)系保證角速度一樣度一樣, ,而質(zhì)量不同而質(zhì)量不同, ,所以是圖丙。探究向心力大小與所以是圖丙。探究向心力大小與角速度角速度之間的關(guān)系之間的關(guān)系, ,保證質(zhì)量一樣保證質(zhì)量一樣, ,而角速度不同

18、而角速度不同, ,所所以是圖甲。以是圖甲。答案答案:(1):(1)丙丙(2)(2)甲甲類型三實驗創(chuàng)新類型三實驗創(chuàng)新用圓錐擺驗證向心力表達(dá)式用圓錐擺驗證向心力表達(dá)式【典例【典例3 3】如下圖是】如下圖是“用圓錐擺實驗驗證向心力公用圓錐擺實驗驗證向心力公式的實驗式的實驗, ,細(xì)線下懸掛了一個質(zhì)量為細(xì)線下懸掛了一個質(zhì)量為m m的小鋼球的小鋼球, ,細(xì)線細(xì)線上端固定在上端固定在O O點。將畫有幾個同心圓的白紙置于水平桌點。將畫有幾個同心圓的白紙置于水平桌面上面上, ,使小鋼球靜止時使小鋼球靜止時( (細(xì)線張緊細(xì)線張緊) )位于同心圓上。用手位于同心圓上。用手帶動小鋼球帶動小鋼球, ,使小鋼球在水平面內(nèi)

19、做勻速圓周運動使小鋼球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動, ,隨隨即手與球別離。即手與球別離。( (當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹楫?dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間)g)(1)(1)用秒表記錄小鋼球運動用秒表記錄小鋼球運動n n圈的時間圈的時間t,t,從而測出此時從而測出此時鋼球做勻速圓周運動的周期鋼球做勻速圓周運動的周期T=_T=_。(2)(2)再通過紙上的圓再通過紙上的圓, ,測出小鋼球做勻速圓周運動的半測出小鋼球做勻速圓周運動的半徑徑R;R;可算出小鋼球做勻速圓周運動所需的向心力可算出小鋼球做勻速圓周運動所需的向心力F F向向=_=_。(3)(3)測量出細(xì)繩長度測量出細(xì)繩長度L,L,小鋼球做勻速圓周運動時所受的小鋼球做勻速

20、圓周運動時所受的合力合力F F合合=_(=_(小鋼球的直徑與繩長相比可忽小鋼球的直徑與繩長相比可忽略略) )。(4)(4)這一實驗方法簡單易行這一實驗方法簡單易行, ,但是有幾個因素可能會影但是有幾個因素可能會影響實驗的成功響實驗的成功, ,請寫出一條請寫出一條:_:_。 【解析解析】(1)(1)周期為轉(zhuǎn)動一圈所經(jīng)歷的時間周期為轉(zhuǎn)動一圈所經(jīng)歷的時間, ,故用總時故用總時間除以圈數(shù)即為周期即間除以圈數(shù)即為周期即T= T= 。(2)(2)根據(jù)向心力計算公式根據(jù)向心力計算公式, ,所需的向心力為所需的向心力為F F向向= = tn2222244mn RmRTt。(3)(3)小鋼球受力如下圖小鋼球受力

21、如下圖: :那么合力那么合力F F合合=mgtan= =mgtan= (4)(4)半徑半徑R R比較難準(zhǔn)確測量、小鋼球是否做圓周運動等比較難準(zhǔn)確測量、小鋼球是否做圓周運動等會影響實驗成功。會影響實驗成功。22RmgLR。答案答案:(1) :(1) (2) (2) (3)mg (3)mg (4) (4)半徑半徑R R比較難準(zhǔn)確測量、小鋼球是否做圓周運動等比較難準(zhǔn)確測量、小鋼球是否做圓周運動等( (合理即合理即可可) )22RLRtn2224mn Rt類型四實驗創(chuàng)新類型四實驗創(chuàng)新利用傳感器探究向心力大小的表達(dá)式利用傳感器探究向心力大小的表達(dá)式【典例典例4 4】某興趣小組用如圖甲所示的裝置與傳感器結(jié)某興趣小組用如圖甲所示的裝置與傳感器結(jié)合合, ,探究向心力大小的影響因素。實驗時用手撥動旋臂探究向心力大小的影響因素。實驗時用手撥動旋臂產(chǎn)生圓周運動產(chǎn)生圓周運動, ,力傳