033探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系实验及其创新设计 精讲精练-2022届高三物理一轮复习疑难突破微专题

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033 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系实验及其创新设计
一.必备知识
1．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与半径、角速度、质
量的关系。
2．实验仪器：向心力演示器(如图)，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)。
3．实验原理
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。
4．实验步骤及观察结果
(1)调整标尺，使两根标尺起点和套筒上口处于同一水平面上，皮带放在第一挡，转速为
1∶1 的皮带盘处，质量相同的两钢球分别放在两个槽上半径相等的横臂挡板内侧，然后摇动
手柄，观察到标尺读数始终相等。
(2)将长槽上钢球由第一挡板内侧移至第二挡板内侧，此时两个质量相同的钢球转动半径
之比为 2∶1，转动手柄，观察到标尺格数之比为 2∶1。
(3)将长槽上的钢球换成铝球，并移至第一挡板内侧，两个金属球质量比为 1∶2，转动
手柄，观察到标尺格数之比为 1∶2。
(4)把皮带放在第二挡，转速之比为 2∶1，将长槽上铝球换成钢球，转动手柄，两球角
速度之比为 2∶1，观察到标尺格数之比为 4∶1。
(5)将皮带放在第三挡，转速之比为 3∶1，转动手柄，两球角速度之比为 3∶1，观察到
标尺格数之比为 9∶1。
5．实验结论
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033 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系实验及其创新设计
由步骤(1)及其结果可知，半径、角速度、质量相同时，向心力大小相同；
由步骤(2)及其结果可知，角速度、质量相同时，向心力与半径成正比；
由步骤(3)及其结果可知，半径、角速度相同时，向心力与质量成正比；
由步骤(4)(5)及其结果可知，半径、质量相同时，向心力与角速度的平方成正比。
由以上可推知：
F
n＝
mω
2
r
。
6．实验误差
(1)污渍、生锈等使小球质量半径变化，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。
7．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，以免损坏测力计弹簧。
(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。
8.实验研究方法：.控制变量法,
影响向心力大小的因素比较多，应采用控制变量法进行研究。在让某个因素 如半径 
变化的同时，控制其他因素 如质量和角速度 不变，便于找出这个因素影响向心力大小变 
化的规律。然后依次分别研究其他的影响因素。
9.实验拓展,
由
v
＝
ωr
可知，
F
n＝
m
，故也可以探究
F
n与
v
、
m
、
r
的关系，实验方法和思路不变。
10.实验数据处理
（1）表格法
(1)m、r一定
实验次数 F1/格F2/格
1
2
3
(2)m、ω一定
实验次数 F1/格F2/格
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1
2
3
(3)r、ω一定
实验次数 F1/格F2/格
1
2
3
（2）．图像法
分别作出 Fnω2、Fnr、Fnm的图像。
二.典型例题
例1　向心力演示器如图所示。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
内的小球分别以几种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 6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过横臂的杠杆使弹簧
测力套筒 7下降，从而露出标尺 8，标尺 8上露出的红白相间等分格子的多少可以
显示出两个球所受向心力的大小。现将小球分别放在两边的槽内，为探究小球受
到的向心力大小与角速度的关系，下列做法正确的是(　　)
A．在小球运动半径相等的情况下，用质量相同的钢球做实验
B．在小球运动半径相等的情况下，用质量不同的钢球做实验
3 / 14
摘要：

033探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系实验及其创新设计一.必备知识1．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与半径、角速度、质量的关系。2．实验仪器：向心力演示器(如图)，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)。3．实验原理如图所示，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...

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