《向心力》圓周運動PPT(第2課時實驗: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
【實驗目的】
1.定性感知向心力的大小與什么因素有關。
2.學會使用向心力演示器。
3.探究向心力與質量、角速度、半徑的定量關系。
【實驗原理與設計】
1.實驗原理
探究方法:控制變量法。
2.實驗設計
(1)定性感知實驗設計思路:如圖所示,細線穿在圓珠筆的桿中,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,使小物體做圓周運動,可近似地認為作用在小物體上的細線的拉力提供了圓周運動所需的_______,而細線的拉力可用牽住細線的手的感覺來判斷。
(2)定量分析實驗設計思路:
①控制小球質量和半徑不變,探究向心加速度與_______的關系。
②控制小球質量和角速度不變,探究向心加速度與_____的關系。
③控制小球半徑和角速度不變,探究向心加速度與_____的關系。
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向心力PPT，第二部分內容：關鍵能力·素養形成
【實驗過程】
一、實驗步驟
1.向心力大小與哪些因素有關的定性感知。
(1)在小物體的質量和角速度不變的條件下,改變小物體做圓周運動的半徑進行實驗。
(2)在小物體的質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行實驗。
(3)換用不同質量的小物體,在角速度和半徑不變的條件下,重復上述操作。
2.向心力與質量、角速度、半徑關系的定量分析。
勻速轉動手柄,可以使塔輪、長槽和短槽勻速轉動,槽內的小球也就隨之做勻速圓周運動。這時,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的向心力。同時,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)把兩個質量相同的小球放在長槽和短槽上,使它們的轉動半徑相同。調整塔輪上的皮帶,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系。
(2)保持兩個小球質量不變,增大長槽上小球的轉動半徑。調整塔輪上的皮帶,使兩個小球的角速度相同。注意向心力的大小與半徑的關系。
(3)換成質量不同的小球,分別使兩小球的轉動半徑相同。調整塔輪上的皮帶,使兩個小球的角速度也相同。注意向心力的大小與質量的關系。
(4)重復幾次以上實驗。
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.實驗結論:
(1)在質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,向心力的大小與質量成正比。
【思考·討論】
1.使用向心力演示儀時應注意哪方面安全問題? (科學態度與責任)
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怎樣讀出測力套筒的格數? (科學探究)
提示:搖動手柄時應力求緩慢加速,注意觀察其中一個測力套筒的格數。達到預定格數時,即保持轉速均勻恒定。
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向心力PPT，第三部分內容：實驗研析·素養遷移
類型一 影響向心力大小的因素的定性分析
【典例1】如圖所示,同學們分小組探究影響向心力大小的因素。同學們用細繩系一紙杯(杯中有30 mL的水)在空中甩動,使杯在水平面內做圓周運動,來感受向心力。
(1)則下列說法中正確的是____________。
A.保持質量、繩長不變,增大轉速,繩對手的拉力將不變
B.保持質量、繩長不變,增大轉速,繩對手的拉力將增大
C.保持質量、角速度不變,增大繩長,繩對手的拉力將不變
D.保持質量、角速度不變,增大繩長,繩對手的拉力將增大
(2)如圖甲,繩離杯心40 cm處打一結點A,80 cm處打一結點B,學習小組中一位同學用手表記時,另一位同學操作,其余同學記錄實驗數據:
操作一:手握繩結A,使杯在水平方向每秒運動一周,體會向心力的大小。
操作二:手握繩結B,使杯在水平方向每秒運動一周,體會向心力的大小。
操作三:手握繩結A,使杯在水平方向每秒運動二周,體會向心力的大小。
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一周,體會向心力的大小。
則:①操作二與一相比較:質量、角速度相同,向心力的大小與轉動半徑大小有關;
操作三與一相比較:質量、半徑相同,向心力的大小與角速度的大小有關;
操作四與一相比較:____________相同,向心力大小與____________有關;
②物理學中此種實驗方法叫______________法。
③小組總結階段,在空中甩動紙杯,使杯在水平面內做圓周運動的同學談感受時說:“感覺手腕發酸,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,跟書上說的不一樣”你認為該同學的說法是否正確,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;保持質量、繩長不變,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;保持質量、角速度不變,增大繩長,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:質量、角速度相同,向心力的大小與轉動半徑大小有關;操作三與一相比較:質量、半徑相同,向心力的大小與角速度的大小有關;操作四與一相比較:角速度、半徑相同,向心力大小與質量有關;物理學中此種實驗方法叫控制變量法。該同學受力分析的對象是自己的手,我們實驗受力分析的對象是紙杯,細線的拉力提供紙杯做圓周運動的向心力指向圓心。細線對手的拉力與“向心力”大小相等,方向相反,背離圓心。
類型二 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量m、角速度ω和半徑r之間關系的實驗情境圖,其中:
(1)探究向心力大小與質量m之間關系的是圖____________;
(2)探究向心力大小與角速度ω之間關系的是圖____________。
【解析】探究向心力大小與質量m之間的關系保證角速度相同,而質量不同,所以是圖丙。探究向心力大小與角速度ω之間的關系,保證質量相同,而角速度不同,所以是圖甲。
答案:(1)丙 (2)甲
類型三 實驗創新
用圓錐擺驗證向心力表達式
【典例3】如圖所示是“用圓錐擺實驗驗證向心力公式”的實驗,細線下懸掛了一個質量為m的小鋼球,細線上端固定在O點。將畫有幾個同心圓的白紙置于水平桌面上,使小鋼球靜止時(細線張緊)位于同心圓上。用手帶動小鋼球,使小鋼球在水平面內做勻速圓周運動,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n圈的時間t,從而測出此時鋼球做勻速圓周運動的周期T=____________。
(2)再通過紙上的圓,測出小鋼球做勻速圓周運動的半徑R;可算出小鋼球做勻速圓周運動所需的向心力F向=____________。
(3)測量出細繩長度L,小鋼球做勻速圓周運動時所受的合力F合=____________(小鋼球的直徑與繩長相比可忽略)。
(4)這一實驗方法簡單易行,但是有幾個因素可能會影響實驗的成功,請寫出一條:__________________。
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