2025版高考物理考點題型歸納總結(jié)（含答案）考點23　實驗六　探究向心力大小與半徑、角速度和質(zhì)量的關(guān)系

考點23實驗六探究向心力大小與半徑、角速度和質(zhì)量的關(guān)系強基固本對點練1.如圖是向心力演示儀的示意圖，長槽4、短槽5和左右塔輪2和3分別固定在一起．勻速轉(zhuǎn)動手柄1，通過皮帶帶動左右兩個變速塔輪2和3隨之勻速轉(zhuǎn)動，放在長槽和短槽內(nèi)小球?qū)⒃谒矫鎯?nèi)做勻速圓周運動．圖中橫臂6對小球的彈力提供小球做圓周運動的向心力，同時由于橫臂的彈力也使測力套筒7下降，從而露出標尺，標尺8上露出的紅白相間等分格子的多少可以顯示出兩個球所受向心力的大小(標尺最多可以露出7格).已知小球放在A1和B兩個位置時，轉(zhuǎn)動半徑相同，放在A1和A2兩個位置時，轉(zhuǎn)動半徑之比為1∶2，通過調(diào)節(jié)皮帶的位置，可以給左右兩個塔輪提供三個擋位：即轉(zhuǎn)速比分別是1∶1、1∶2和1∶3.(1)應(yīng)使用____________(選填“等效替代法”“控制變量法”或“類比法”)來探究影響向心力大小的因素．(2)在探究向心力與質(zhì)量的關(guān)系時，選用轉(zhuǎn)速比1∶1擋位，兩個不同質(zhì)量的小球分別放在擋板B和擋板________(選填“A1”或“A2”)處；(3)在探究向心力與角速度的關(guān)系時，在選取轉(zhuǎn)速比1∶3擋位時，由于標尺露出的格數(shù)有限，無法觀察到1∶9的格數(shù)比．根據(jù)(2)問中探究得到的向心力與質(zhì)量成正比的結(jié)果，可以選用質(zhì)量比為3∶1的小球，這樣當觀察到標尺露出紅白相間的等分格數(shù)之比為________時，就可以說明向心力與角速度的平方成正比．2．如圖甲所示為向心力演示儀，可探究小球做圓周運動所需向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系．長槽的A、B處和短槽的C處分別到各自轉(zhuǎn)軸中心距離之比為1∶2∶1.變速塔輪自上而下有三種組合方式，左右每層半徑之比由上至下分別為1∶1、2∶1和3∶1，如圖乙所示．(1)本實驗的目的是探究向心力的大小與小球質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系，下列實驗中采用的實驗方法與本實驗相同的是________．A．用油膜法估測油酸分子的大小B．用單擺測量重力加速度的大小C．探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系(2)在某次實驗中，把兩個質(zhì)量相等的鋼球放在B、C位置，探究向心力的大小與半徑的關(guān)系，則需要將傳動皮帶調(diào)至第________層塔輪(選填“一”“二”或“三”)；(3)在另一次實驗中，把兩個質(zhì)量相等的鋼球放在A、C位置，傳動皮帶位于第二層，轉(zhuǎn)動手柄，則當塔輪勻速轉(zhuǎn)動時，左右兩標尺露出的格子數(shù)之比約為________．A．1∶2B．1∶4C．2∶1D．4∶13．某實驗小組用如圖甲所示的裝置探究向心力大小與周期、半徑之間的關(guān)系，輕繩一端系著小球，另一端固定在豎直桿上的力傳感器上，小球套在光滑水平桿上．水平桿在電動機帶動下可以在水平面內(nèi)繞豎直桿勻速轉(zhuǎn)動．已知小球質(zhì)量為m，小球做圓周運動的半徑為r，電子計數(shù)器可記錄桿做圓周運動的圈數(shù)n，用秒表記錄小球轉(zhuǎn)動n圈的時間為t.(1)若保持小球運動半徑不變，僅減小運動周期，小球受到的拉力將________；若保持小球運動的周期不變，僅減小運動半徑，小球受到的拉力將________．(以上兩空均選填“變大”“變小”或“不變”)(2)該小組同學(xué)做實驗時，保持小球做圓周運動的半徑不變，選用質(zhì)量為m1的小球甲和質(zhì)量為m2(m1＞m2)的小球乙做了兩組實驗．兩組實驗中分別多次改變小球運動的轉(zhuǎn)速，記錄實驗數(shù)據(jù)，作出了F與eq\f(n,t)關(guān)系如圖乙所示的①和②兩條曲線，圖中反映小球甲的實驗數(shù)據(jù)是________(選填“①”或“②”).培優(yōu)提能模擬練4.如圖甲所示，一個帶有凹槽的圓盤，其凹槽寬度略大于紙帶寬度，圓盤繞水平軸在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，用該裝置可測圓盤轉(zhuǎn)動的角速度．操作如下：①打點計時器固定在桌面上，將紙帶的一端穿過打點計時器，然后固定在圓盤的凹槽內(nèi)；②接通電源，打點計時器開始打點，啟動控制裝置讓圓盤轉(zhuǎn)動，使紙帶卷在圓盤上；③停止圓盤轉(zhuǎn)動，切斷電源，取下紙帶，進行測量．請回答下列問題：(1)使用學(xué)生電源給實驗中的電磁打點計時器供電，應(yīng)采用圖乙中的________接法(填“A”或“B”).(2)在紙帶上標記若干個計數(shù)點并測量它們的間距如圖丙所示，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，測得圓盤直徑為d，槽深為h；則打下點B時，圓盤轉(zhuǎn)動的角速度的表達式為ω＝________．(忽略紙帶厚度帶來的影響)(3)由于紙帶具有一定的厚度，會使角速度的測量結(jié)果________(填“偏大”“偏小”或“不變”).5．[2024·江西省上饒市月考]某同學(xué)用如圖a所示裝置探究向心力與角速度和運動半徑的關(guān)系．裝置中豎直轉(zhuǎn)軸固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上(未畫出)，光滑的水平直桿固定在豎直轉(zhuǎn)軸上，能隨豎直轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動．水平直桿的左端套上滑塊P，用細線將滑塊P與固定在豎直轉(zhuǎn)軸上的力傳感器連接，細線處于水平伸直狀態(tài)，當滑塊隨水平直桿一起勻速轉(zhuǎn)動時，細線拉力的大小可以通過力傳感器測得．水平直桿的右端最邊緣安裝了寬度為d的擋光條，擋光條到豎直轉(zhuǎn)軸的距離為D，光電門可以測出擋光條經(jīng)過光電門所用的時間(擋光時間).滑塊P與豎直轉(zhuǎn)軸間的距離可調(diào)．(1)在研究向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系時，我們主要用到了物理學(xué)中________的方法．A．理想實驗法B．等效替代法C．控制變量法(2)若某次實驗中測得擋光條的擋光時間為t0，則電動機的角速度為________．(3)若保持滑塊P到豎直轉(zhuǎn)軸中心的距離為L不變，僅多次改變豎直轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的快慢，測得多組力傳感器的示數(shù)F和擋光時間Δt.畫出F－(eq\f(1,Δt))2圖像，如圖b所示．實驗中，測得圖線的斜率為k，則滑塊的質(zhì)量為________．(4)若保持豎直轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)滑塊P到豎直轉(zhuǎn)軸中心的距離r，測得多組力F和r的數(shù)據(jù)，以F為縱軸，以________(填“r”“eq\f(1,r)”或“(eq\f(1,r))2”)為橫軸，將所測量的數(shù)據(jù)描繪在坐標系中，可以更直觀地反映向心力大小與圓周運動半徑r之間的關(guān)系．現(xiàn)測得擋光條的擋光時間為t1，則圖線的斜率應(yīng)為________．

考點23實驗六探究向心力大小與半徑、角速度和質(zhì)量的關(guān)系1．答案：（1）控制變量法（2）A1（3）1∶3解析：（1）探究小球受到的向心力大小與質(zhì)量的關(guān)系，需控制一些變量，即保持轉(zhuǎn)動的角速度、轉(zhuǎn)動的半徑不變；探究小球受到的向心力大小與轉(zhuǎn)動的半徑的關(guān)系，需控制一些變量，即保持小球的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動的角速度不變；該實驗中應(yīng)用了控制變量法；（2）由控制變量法可知，要探究向心力與質(zhì)量的關(guān)系，應(yīng)保證兩球的角速度和運動半徑相同，使兩球的質(zhì)量不同，所以兩個不同質(zhì)量的小球分別放在擋板B和擋板A1；（3）根據(jù)題意可得，F(xiàn)1＝3m（2πn）2r，F(xiàn)2＝m（2π×3n）2r，可得eq\f(F1,F2)＝eq\f(1,3).2．答案：（1）C（2）一（3）B解析：（1）探究向心力的大小與小球質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系，采用的實驗方法是控制變量法．用油膜法估測油酸分子的大小，采用的實驗方向是通過測量宏觀量來測量微觀量的方法，故A錯誤；用單擺測量重力加速度的大小，分別測量出擺長和周期，通過單擺周期公式計算得到重力加速度大小，不是采用控制變量法，故B錯誤；探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系，采用的實驗方法是控制變量法，故C正確．故選C.（2）在某次實驗中，把兩個質(zhì)量相等的鋼球放在B、C位置，探究向心力的大小與半徑的關(guān)系，應(yīng)使兩球的角速度相同，則需要將傳動皮帶調(diào)至第一層塔輪．（3）在另一次實驗中，把兩個質(zhì)量相等的鋼球放在A、C位置，則兩球做圓周運動的半徑相等；傳動皮帶位于第二層，則兩球做圓周運動的角速度之比為ω左∶ω右＝R2∶2R2＝1∶2，根據(jù)F＝mω2r，可知當塔輪勻速轉(zhuǎn)動時，左右兩標尺露出的格子數(shù)之比約為F左∶F右＝ωeq\o\al(2,左)∶ωeq\o\al(2,右)＝1∶4，B正確．3．答案：（1）變大變?。?）①解析：（1）小球做圓周運動時有T＝F向＝mω2r＝m·（eq\f(2π,T)）2·r，所以當小球運動半徑不變，僅減小運動周期，小球受到的拉力將變大；若保持小球運動的周期不變，僅減小運動半徑，小球受到的拉力將變?。?）根據(jù)題意有T＝eq\f(t,n)，可得F＝m·（eq\f(2πn,t)）2·r＝4π2mr·（eq\f(n,t)）2因為甲球的質(zhì)量較大，所以可得曲線①為小球甲的實驗數(shù)據(jù)．4．答案：（1）B（2）eq\f(x1＋x2,T（d－2h）)（3）偏大解析：（1）電磁打點計時器使用的是交流電，所以應(yīng)采用圖乙中的B接法．（2）點B的線速度為vB＝eq\f(x1＋x2,2T)，圓盤的凹槽內(nèi)徑為R＝eq\f(d－2h,2)，圓盤轉(zhuǎn)動的角速度的表達式為ω＝eq\f(vB,R)＝eq\f(x1＋x2,T（d－2h）).（3）由于紙帶具有一定的厚度，則計算半徑時所用數(shù)據(jù)偏小，根據(jù)ω＝eq\f(v,R)，可知角速度的測量結(jié)果偏大．5．答案：（1）C（2）eq\f(d,Dt0)（3）eq\f(kD2,d2L)（4）req\f(md2,D2teq\o\al(2,1))解析：（1）在研究向心力的大小F與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系時，我們主要用到了物理學(xué)中控制變量法，故選C.（2）若某次實驗中測得擋光條的擋光時間為t0，則v＝eq\f(d,t0)＝ωD，解得電動機的角速度為ω＝eq\f(d,Dt0).（3）根據(jù)F＝mω2L，ω＝eq\f(d,D