第2课时 实验:探究向心力大小的表达式 实验必备·自主学习 一、实验目的 1.定性分析向心力大小的影响因素。 2.学会使用向心力演示器。 3.探究向心力与质量、角速度、半径的定量关系。 二、实验器材 向心力演示器 三、实验原理与设计 1.实验的基本思想: 控制变量法。 (1)变量的控制要求: 物体的质量、角速度、转动半径对向心力均有影响。要研究一个因变量与 三个自变量的关系,应先控制其中的两个自变量不变,先研究向心力与第三 个自变量之间的关系。 (2)设计思路: ①若讨论向心力与物体质量的关系,应控制_____、_____不变。 ②若讨论向心力与角速度的关系,应控制_____、_____不变。 ③若讨论向心力与半径的关系,应控制_____、_____不变。 角速度 转动半径 物体质量 转动半径 物体质量 角速度 2.实验原理: (1)保持两个小球的质量m和角速度ω相同: 将两球分别放置于长槽和短槽中进行实验,比较向心力F与运动半径r之间的关系。 (2)保持两个小球的质量m和运动半径r相同: 用皮带连接半径不同的变速塔轮进行实验,比较向心力F与角速度ω之间的关系。 (3)保持运动半径r和角速度ω相同: 用质量m不同的钢球和铝球进行实验,比较向心力的大小与质量m的关系。 四、实验设计———各个物理量的测量和调整方法 1.向心力的测量:由塔轮中心标尺露出的等分格的读数读出。 2.质量的测量:用天平直接测量。 质量的调整:选用不同的钢球和铝球。 3.轨道半径的测量:根据长、短槽上的刻度读出小球到转轴的距离。 轨道半径的调整:改变小球放置在长、短槽上的位置。 4.角速度的测量:通过测量变速塔轮的直径确定角速度的比值。 角速度的调整:改变皮带所连接的变速塔轮。 【实验步骤】 匀速转动手柄,可以使塔轮、长槽和短槽匀速转动,槽内的小球也就随之做匀速圆周运动。这时,小球向外挤压挡板,挡板对小球的反作用力提供了小球做匀速圆周运动的向心力。同时,小球压挡板的力使挡板另一端压缩弹簧测力套筒里的弹簧,弹簧的压缩量可以从标尺上读出,该读数显示了向心力大小。 实验过程·探究学习 (1)把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上,使它们的转动半径相同。调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度不一样。注意向心力的大小与角速度的关系。 (2)保持两个小球质量不变,增大长槽上小球的转动半径。调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度相同。注意向心力的大小与半径的关系。 (3)换成质量不同的小球,分别使两小球的转动半径相同。调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度也相同。注意向心力的大小与质量的关系。 (4)重复几次以上实验。 【思考·讨论】 (1)在实验中,有哪些方法可以判定两个物理量是否成正比? 提示:①图像法:观察两个物理量在坐标系中是否成一条过原点的倾斜的直线。 ②比值法:两个量的比值是否一定。 (2)实验中判断两个物理量的正比关系时,是否需要测出各个物理量的具体数值? 提示:不需要,只需得到对应量的比值。 【数据收集与分析】 1.列Fn、r数据收集表: 把小球在不同半径时测出的向心力填在表中: 实验序号 1 2 3 4 5 r Fn 2.列Fn、m数据收集表: 把使用不同质量的小球时测出的向心力填在表中: 实验序号 1 2 3 4 5 m Fn 3.列Fn、ω数据收集表: 把小球在不同角速度时测出的向心力填在表中: 实验序号 1 2 3 4 5 ω ω2 Fn 4.Fn为纵坐标,r、m和ω2为横坐标,根据数据作出图像,用曲线拟合测量点,找出规律。 5.实验结论: 两球相同的物理量 不同的物理量 实验结论 1 m、ω r _____ 2 m、r ω _____ 3 r、ω m _____ Fn∝r Fn∝ω2 Fn∝m 【注意事项】 1.实验前要做好横臂支架的安全检查,螺钉是否有松动。 2.标尺格数比应选择最小格数进行,使学生容易看清格数比。如:F1∶F2=1∶4,可以选择2格和8格,但最好使用1格和4格。 3.转动转台时,应先让一个套筒的标尺达到 ... ...
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