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2022年高考物理考前专练——实验：探究向心力的影响因素
1．某班同学在学习了向心力的公式F＝m和F＝mω2r后，分学习小组进行实验探究向心力。同学们用细绳系一纸杯(杯中有30 mL的水)在空中甩动，使纸杯在水平面内做圆周运动(如图乙所示)，来感受向心力。
(1)下列说法中正确的是________。
A．保持质量、绳长不变，增大转速，绳对手的拉力不变
B．保持质量、绳长不变，增大转速，绳对手的拉力增大
C．保持质量、角速度不变，增大绳长，绳对手的拉力不变
D．保持质量、角速度不变，增大绳长，绳对手的拉力增大
(2)如图甲所示，绳离杯心40 cm处打一结点A,80 cm处打一结点B，学习小组中一位同学用手表计时，另一位同学操作，其余同学记录实验数据。
操作一：手握绳结A，使杯在水平方向每秒运动一周，体会向心力的大小。
操作二：手握绳结B，使杯在水平方向每秒运动一周，体会向心力的大小。
操作三：手握绳结A，使杯在水平方向每秒运动两周，体会向心力的大小。
操作四：手握绳结A，再向杯中添30 mL的水，使杯在水平方向每秒运动一周，体会向心力的大小。
①操作二与一相比较：质量、角速度相同，向心力的大小与转动半径大小有关；
操作三与一相比较：质量、半径相同，向心力的大小与角速度的大小有关；
操作四与一相比较：________相同，向心力大小与________有关；
②物理学中这种实验方法叫________法。
2．某中学的物理航天兴趣小组通过观看“天空授课”引发思考，设计了一款可以在太空中测量物体质量的实验装置如图甲所示。有一圆盘桌面上放置一个质量未知的小球，小球与弹簧测力计通过细线连接，细线通过圆盘上的一个小孔，弹簧测力计的另一端通过另一细线固定于水平面上，与为同一个光电门的激光发射器和接收器，与数字计时器相连，实验时可认为激光与小球的直径在一条直线上。小球处于太空环境中可认为与桌面无挤压，开始实验时轻推小球。
（1）通过游标卡尺测出小球的直径如图乙所示，请读出小球的直径___________；
（2）弹簧测力计的示数如图丙所示，请读出力___________；
（3）实验中测出小球运动的半径为，通过光电门的时间△；
（4）请写出小球质量的表达式___________（结果用、、、△表示）。
3．如图甲为探究向心力的大小与质量、角速度和半径之间关系的实验装置，图乙为示意图，图丙为俯视图。图乙中A、B槽分别与a、b轮同轴固定，a、b两轮在皮带的带动下匀速转动。
(1)在该实验中应用了__________（选填“理想实验法”、“控制变量法”、“理想模型法”）来探究向心力的大小与质量，角速度和半径之间的关系。
(2)如图乙所示，如果两个钢球质量相等，且a、b轮半径相同，则是在验证向心力的大小与______。
A．质量 B．半径 C．角速度
(3)现有两个质量相同的钢球，①球放在槽的边缘，②球放在槽的边缘，a、b轮半径相同，它们到各自转轴的距离之比为2：1。则钢球①、②的线速度之比为______。
4．探究向心力大小F与物体的质量m、角速度和轨道半径r的关系实验。
（1）本实验所采用的实验探究方法与下列哪些实验是相同的__________；
A．探究平抛运动的特点
B．探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
C．探究两个互成角度的力的合成规律
D．探究加速度与物体受力、物体质量的关系
（2）某同学用向心力演示器进行实验，实验情景如甲、乙、丙三图所示。
a．三个情境中，图________是探究向心力大小F与质量m关系（选填“甲”、“乙”、“丙”）。
b．在甲情境中，若两钢球所受向心力的比值为，则实验中选取两个变速塔轮的半径之比为________。
5．用如图所示的实验装置来探究小球做圆周运动所需向心力的大小与质量、角速度和半径之间的关系，转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮1和变速塔轮2做匀速转动，槽内的小球就随槽做匀速圆周运动。横臂的挡板对小球的压力提供向心力，小球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力筒下降，从而露出标尺，标尺上黑白相间的等分格显示出两个小球所受向心力的大小关系。
（1）在探究向心力与半径、质量、角速度的关系时，用到的实验方法是___________；
A．理想实验法 B．控制变量法 C．等效替代法 D．演绎推理法
（2）通过本实验的定性分析可以得到：在小球质量和运动半径一定的情况下，小球做圆周运动的角速度越大，受到的向心力就越___________（填“大”或“小”）；
（3）由更精确的实验可得向心力的表达式为___________（用题干中所给的字母表示）。在某次探究实验中，当、两个相同小球转动的半径相等时，图中标尺上黑白相间的等分格显示出、两个小球所受向心力的比值为，由此表达式可求得与皮带连接的两个变速塔轮对应的半径之比为___________。
6．某同学利用如图所示的向心力演示器探究小球做匀速圆周运动向心力F的大小与小球质量m、转速n和运动半径r之间的关系。匀速转动手柄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，槽内的小球也随之做匀速圆周运动。使小球做匀速圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的弹力提供。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。
实验过程如下：
(1)把两个质量相同的小球分别放在长槽和短槽上，使它们的运动半径相同，调整塔轮上的皮带的位置，探究向心力的大小与_____的关系，将实验数据记录在表格中；
(2)保持两个小球质量不变，调整塔轮上皮带的位置，使与皮带相连的左、右两轮半径___（选填“＞”、“＝”或“＜”），保证两轮转速相同，增大长槽上小球的运动半径，探究向心力的大小与运动半径的关系，将实验数据记录在表格中；
(3)使两小球的运动半径和转速相同．改变两个小球的质量，探究向心力的大小与质量的关系，将实验数据记录在表格中；
次数 转速之比/ 球的质量 运动半径 向心力大小/红白格数
1 1 12 12 20 10 4 2
2 1 12 24 10 10 2 4
3 2 12 12 10 10 8 2
(4)根据表中数据，向心力F与小球质量m、转速n和运动半径r之间的关系是_______。
A． B． C． D．
7．利用水平旋转平台验证向心力与质量、角速度、半径的定量关系，选取光滑水平平台MN，如图甲所示，平台可以绕竖直转轴转动，M端固定的压力传感器可以测出物体对其压力的大小，N端有一宽度为d的遮光条，光电门可以测出每一次遮光条通过时的遮光时间。
实验过程如下：
a.用游标尺测出遮光条的宽度，如图乙所示；
b.用天平测出小物块质量为m；
c.测出遮光条到转轴间的距离为L；
d.将小物块放置在水平平台上且靠近压力传感器，测出小物块中心位置到转轴间的距离为R；
e.使平台绕转轴做不同角速度的匀速转动；
f.通过压力传感器得到不同角速度时，小物块对传感器的压力F和遮光条通过光电门的时间t；
g.在保持m、R不变的前提下，得到不同角速度下压力F与的图像如图丙所示，其图线斜率为k。
请回答下列问题：
（1）遮光条宽度d=______cm。
（2）当遮光条通过光电门的时间为t0时，平台转动的角速度=______（用相应的字母符号表示）。
（3）验证小物块受到的向心力与质量、角速度、半径间的定量关系时，则图线斜率应满足k=______（用m、d、R、L等物理量符号表示）。
8．为更简洁和精准验证“用圆锥摆验证向心力的表达式”实验，某兴趣小组对实验进行了改进，如图是简化实验装置示意图，在小圆盘中心打孔，将电动机的转轴穿过小孔，使小圆盘与转轴垂直并固定，且保证重锤悬在电动机转轴的正下方。把悬挂摆球的细线穿过小孔中心并系牢。
实验步骤如下：
第一步：将电动机接入电路，用手给摆球一个初速度，使摆球在电动机带动下做速度合适的匀速圆周运动；
第二步：待摆球做稳定的匀速圆周运动时，通过调节激光笔的高度和角度，使激光笔既能照到重锤线上，又能在一圈中两次照在圆平面上做匀速圆周运动的摆球，调整好后固定激光笔；
第三步：观察激光笔照到右侧墙（未画出）上的激光点，当激光点第一次挡住时数0圈，同时按下停表，第三次被挡住时数1圈，第五次被挡住时数2圈，依次数到n圈时按下停表，记录时间t；
第四步：断开开关，测出小圆盘到重锤线上激光点的距离h；
第五步：改变摆线长度，重复实验5次。
(1)改进实验中，是否需要测量圆锥摆匀速圆周运动的轨道半径。______（填“是”或“否”）。
(2)改进实验中，只需验证______（用n、t、h、、g表示）。
(3)保持n的取值不变，改变摆线长度进行多次实验，可获取不同的t。若小球所受的合力大小F与向心力大小相等，则如图所示图象合理的是______。
A． B． C． D．
9．某同学探究做圆周运动的物体的向心力大小与运动半径、角速度及质量的关系的实验装置如图所示。水平光滑圆盘沿半径方向有一个小槽，槽内固定有压力传感器，用来测量向心力大小；圆盘可绕通过圆心的竖直轴匀速转动，竖直轴与电动机用传送带相连（图中未画出），电动机转动的角速度可以控制。将质量为m的小球紧贴压力传感器放置，测出小球到圆盘圆心的距离r，且保持不变，启动电动机，使圆盘转动。
（1）保持m、r不变，改变圆盘转动的角速度，多次测量，得到小球的向心力Fn与角速度的关系如图乙所示，若r=0.2m，则小球的质量为______kg（保留2位有效数字）；
（2）该同学采用的实验方法是______。
10．如图（a）所示为探究向心力跟质量 半径 角速度关系的实验装置 金属块放置在转台上，电动机带动转台做圆周运动;改变电动机的电压，可以改变转台的角速度 光电计时器可以记录转台每转一圈的时间 金属块被约束在转台的径向凹槽中，只能沿半径方向移动，且跟凹槽之间的摩擦力可以忽略
(1)某同学保持金属块质量和转动半径不变，改变转台的角速度，探究向心力跟角速度的关系 每个角速度对应的向心力可由力传感器读出 若光电计时器记录转台每转一周的时间为T，则金属块转动的角速度___________
(2)上述实验中，该同学多次改变角速度后，记录了一组角速度与对应的向心力F的数据见下表 请根据表中数据在图（b）给出的坐标纸中作出F与的关系图像_____
次数 物理量 1 2 3 4 5
0.70 1.35 1.90 2.42 3.10
2.3 4.6 6.6 8.3 10.7
(3)为了探究向心力跟半径 质量的关系，还需要用到的实验器材除了刻度尺外，还有______
实验：探究向心力的影响因素参考答案
1． BD 角速度、半径 质量大小 控制变量
2． 1.650 2.4
3． 控制变量法 B 2：1
4． BD 丙 2:1
5． B 大 3:1
6． 转速 B
7． 0.246
8． 否 D
9． 0.43 控制变量法
10． 天平

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