《向心力》圓周運動(dòng)PPT(第2課時(shí)實(shí)驗:探究向心力大小的表達式)
第一部分內容：必備知識·素養奠基
【實(shí)驗目的】
1.定性感知向心力的大小與什么因素有關(guān)。
2.學(xué)會(huì )使用向心力演示器。
3.探究向心力與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系。
【實(shí)驗原理與設計】
1.實(shí)驗原理
探究方法:控制變量法。
2.實(shí)驗設計
(1)定性感知實(shí)驗設計思路:如圖所示,細線(xiàn)穿在圓珠筆的桿中,一端拴住小物體,另一端用一只手牽住,另一只手抓住圓珠筆桿并用力轉動(dòng),使小物體做圓周運動(dòng),可近似地認為作用在小物體上的細線(xiàn)的拉力提供了圓周運動(dòng)所需的_______,而細線(xiàn)的拉力可用牽住細線(xiàn)的手的感覺(jué)來(lái)判斷。
(2)定量分析實(shí)驗設計思路:
①控制小球質(zhì)量和半徑不變,探究向心加速度與_______的關(guān)系。
②控制小球質(zhì)量和角速度不變,探究向心加速度與_____的關(guān)系。
③控制小球半徑和角速度不變,探究向心加速度與_____的關(guān)系。
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向心力PPT，第二部分內容：關(guān)鍵能力·素養形成
【實(shí)驗過(guò)程】
一、實(shí)驗步驟
1.向心力大小與哪些因素有關(guān)的定性感知。
(1)在小物體的質(zhì)量和角速度不變的條件下,改變小物體做圓周運動(dòng)的半徑進(jìn)行實(shí)驗。
(2)在小物體的質(zhì)量和做圓周運動(dòng)的半徑不變的條件下,改變物體的角速度進(jìn)行實(shí)驗。
(3)換用不同質(zhì)量的小物體,在角速度和半徑不變的條件下,重復上述操作。
2.向心力與質(zhì)量、角速度、半徑關(guān)系的定量分析。
勻速轉動(dòng)手柄,可以使塔輪、長(cháng)槽和短槽勻速轉動(dòng),槽內的小球也就隨之做勻速圓周運動(dòng)。這時(shí),小球向外擠壓擋板,擋板對小球的反作用力提供了小球做勻速圓周運動(dòng)的向心力。同時(shí),小球壓擋板的力使擋板另一端壓縮彈簧測力套筒里的彈簧,彈簧的壓縮量可以從標尺上讀出,該讀數顯示了向心力大小。
(1)把兩個(gè)質(zhì)量相同的小球放在長(cháng)槽和短槽上,使它們的轉動(dòng)半徑相同。調整塔輪上的皮帶,使兩個(gè)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。
(2)保持兩個(gè)小球質(zhì)量不變,增大長(cháng)槽上小球的轉動(dòng)半徑。調整塔輪上的皮帶,使兩個(gè)小球的角速度相同。注意向心力的大小與半徑的關(guān)系。
(3)換成質(zhì)量不同的小球,分別使兩小球的轉動(dòng)半徑相同。調整塔輪上的皮帶,使兩個(gè)小球的角速度也相同。注意向心力的大小與質(zhì)量的關(guān)系。
(4)重復幾次以上實(shí)驗。
二、數據收集與分析
1.m、r一定
2.m、ω一定
3.r、ω一定
4.分別作出F向-ω2、F向-r、F向-m的圖像。
5.實(shí)驗結論:
(1)在質(zhì)量和半徑一定的情況下,向心力的大小與角速度的平方成正比。
(2)在質(zhì)量和角速度一定的情況下,向心力的大小與半徑成正比。
(3)在半徑和角速度一定的情況下,向心力的大小與質(zhì)量成正比。
【思考·討論】
1.使用向心力演示儀時(shí)應注意哪方面安全問(wèn)題? (科學(xué)態(tài)度與責任)
提示:將橫臂緊固螺釘旋緊,以防小球和其他部件飛出而造成事故。
2.使用向心力演示儀時(shí)怎樣讀出測力套筒的格數? (科學(xué)探究)
提示:搖動(dòng)手柄時(shí)應力求緩慢加速,注意觀(guān)察其中一個(gè)測力套筒的格數。達到預定格數時(shí),即保持轉速均勻恒定。
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向心力PPT，第三部分內容：實(shí)驗研析·素養遷移
類(lèi)型一 影響向心力大小的因素的定性分析
【典例1】如圖所示,同學(xué)們分小組探究影響向心力大小的因素。同學(xué)們用細繩系一紙杯(杯中有30 mL的水)在空中甩動(dòng),使杯在水平面內做圓周運動(dòng),來(lái)感受向心力。
(1)則下列說(shuō)法中正確的是____________。
A.保持質(zhì)量、繩長(cháng)不變,增大轉速,繩對手的拉力將不變
B.保持質(zhì)量、繩長(cháng)不變,增大轉速,繩對手的拉力將增大
C.保持質(zhì)量、角速度不變,增大繩長(cháng),繩對手的拉力將不變
D.保持質(zhì)量、角速度不變,增大繩長(cháng),繩對手的拉力將增大
(2)如圖甲,繩離杯心40 cm處打一結點(diǎn)A,80 cm處打一結點(diǎn)B,學(xué)習小組中一位同學(xué)用手表記時(shí),另一位同學(xué)操作,其余同學(xué)記錄實(shí)驗數據:
操作一:手握繩結A,使杯在水平方向每秒運動(dòng)一周,體會(huì )向心力的大小。
操作二:手握繩結B,使杯在水平方向每秒運動(dòng)一周,體會(huì )向心力的大小。
操作三:手握繩結A,使杯在水平方向每秒運動(dòng)二周,體會(huì )向心力的大小。
操作四:手握繩結A,再向杯中添加30 mL的水,使杯在水平方向每秒運動(dòng)一周,體會(huì )向心力的大小。
則:①操作二與一相比較:質(zhì)量、角速度相同,向心力的大小與轉動(dòng)半徑大小有關(guān);
操作三與一相比較:質(zhì)量、半徑相同,向心力的大小與角速度的大小有關(guān);
操作四與一相比較:____________相同,向心力大小與____________有關(guān);
②物理學(xué)中此種實(shí)驗方法叫______________法。
③小組總結階段,在空中甩動(dòng)紙杯,使杯在水平面內做圓周運動(dòng)的同學(xué)談感受時(shí)說(shuō):“感覺(jué)手腕發(fā)酸,感覺(jué)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(shū)上說(shuō)的不一樣”你認為該同學(xué)的說(shuō)法是否正確,為什么? _________________。
【解析】(1)由題意,根據向心力公式,F向=mω2r,由牛頓第二定律,則有T拉=mω2r;保持質(zhì)量、繩長(cháng)不變,增大轉速,根據公式可知,繩對手的拉力將增大,故A錯誤,B正確;保持質(zhì)量、角速度不變,增大繩長(cháng),根據公式可知,繩對手的拉力將變大,故C錯誤,D正確。
(2)根據向心力公式 F向=mω2r,由牛頓第二定律,則有T拉=mω2r ;操作二與一相比較:質(zhì)量、角速度相同,向心力的大小與轉動(dòng)半徑大小有關(guān);操作三與一相比較:質(zhì)量、半徑相同,向心力的大小與角速度的大小有關(guān);操作四與一相比較:角速度、半徑相同,向心力大小與質(zhì)量有關(guān);物理學(xué)中此種實(shí)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,我們實(shí)驗受力分析的對象是紙杯,細線(xiàn)的拉力提供紙杯做圓周運動(dòng)的向心力指向圓心。細線(xiàn)對手的拉力與“向心力”大小相等,方向相反,背離圓心。
類(lèi)型二 影響向心力大小因素的定量分析
【典例2】控制變量法是物理實(shí)驗探究的基本方法之一。如圖是用控制變量法探究向心力大小與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間關(guān)系的實(shí)驗情境圖,其中:
(1)探究向心力大小與質(zhì)量m之間關(guān)系的是圖____________;
(2)探究向心力大小與角速度ω之間關(guān)系的是圖____________。
【解析】探究向心力大小與質(zhì)量m之間的關(guān)系保證角速度相同,而質(zhì)量不同,所以是圖丙。探究向心力大小與角速度ω之間的關(guān)系,保證質(zhì)量相同,而角速度不同,所以是圖甲。
答案:(1)丙 (2)甲
類(lèi)型三 實(shí)驗創(chuàng )新
用圓錐擺驗證向心力表達式
【典例3】如圖所示是“用圓錐擺實(shí)驗驗證向心力公式”的實(shí)驗,細線(xiàn)下懸掛了一個(gè)質(zhì)量為m的小鋼球,細線(xiàn)上端固定在O點(diǎn)。將畫(huà)有幾個(gè)同心圓的白紙置于水平桌面上,使小鋼球靜止時(shí)(細線(xiàn)張緊)位于同心圓上。用手帶動(dòng)小鋼球,使小鋼球在水平面內做勻速圓周運動(dòng),隨即手與球分離。(當地的重力加速度為g)
(1)用秒表記錄小鋼球運動(dòng)n圈的時(shí)間t,從而測出此時(shí)鋼球做勻速圓周運動(dòng)的周期T=____________。
(2)再通過(guò)紙上的圓,測出小鋼球做勻速圓周運動(dòng)的半徑R;可算出小鋼球做勻速圓周運動(dòng)所需的向心力F向=____________。
(3)測量出細繩長(cháng)度L,小鋼球做勻速圓周運動(dòng)時(shí)所受的合力F合=____________(小鋼球的直徑與繩長(cháng)相比可忽略)。
(4)這一實(shí)驗方法簡(jiǎn)單易行,但是有幾個(gè)因素可能會(huì )影響實(shí)驗的成功,請寫(xiě)出一條:__________________。
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