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必修2
第五章 曲线运动
5.6 向心力
探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
某班级同学在做探究向心力$F$的大小与角速度$\omega$和半径$r$之间关系的实验:
实验小组$A$通过如图甲所示装置进行实验。滑块套在水平杆上,随水平杆一起绕竖直杆做匀速圆周运动,力传感器通过一细绳连接滑块,用来测量向心力$F$的大小。滑块上固定一遮光片,宽度为$d$,光电门可以记录遮光片通过的时间$\Delta t$,测得旋转半径为$r$。滑块随杆匀速圆周运动,每经过光电门一次,通过力传感器和光电门就同时获得一组向心力$F$和角速度$\omega$的数据。
实验小组$B$通过如图丙所示实验装置进行实验。质量为$M$的物块$b$能在水平光滑滑杆上滑动,滑杆连架装在离心机上,用绳跨过光滑滑轮与另一质量为$m$的物体$a$相连。当离心机以角速度$\omega$转动时,物块离轴距离为$r$,且恰能稳定转动。
实验小组$A$,以$F$为纵坐标,$\dfrac{1}{\Delta t^{2}}$为横坐标建立坐标系得到图像乙。若直线斜率为$k$,则滑块的质量为 (用$k$、$r$、$d$表示);图像不过原点的原因为 。
滑块圆周运动的速度$v_{1}=\dfrac{d}{\Delta t}$
由于$F=m\dfrac{v^{2}}{r}$
则有$F=\dfrac{md^{2}}{r} \cdot \dfrac{1}{\Delta t^{2}}$
又$\dfrac{md^{2}}{r}=k$
联立解得$m=\dfrac{kr}{d^{2}}$
由图线可知,当$F=0$时,$\dfrac{1}{\Delta t^{2}}$不为零,所以图线不过原点的原因是滑块受到摩擦力的原因。
实验小组$B$,若让物体$a$的质量$m$变为原来的两倍,在物块$b$质量$M$和距离$r$大小不变时,装置能稳定转动,离心机的转速应变为原来的 倍;若物体$a$和物块$b$质量均不变,当离心机转速增至原来的$2$倍,调整$r$使之达到新的稳定转动状态,则物块转动的线速度为原来的 倍。
依题意绳子的拉力提供物块$M$的向心力,绳子拉力又等于物体$m$的重力。所以得:$mg=M\omega^{2}r$
设离心机的转速为$n$,因$\omega=2\pi n$
可得$mg=M(2\pi n)^{2}r$
所以$m$变为原来的两倍,转速应变为原来的$\sqrt{2}$倍。
所以,当转速增至原来的$2$倍,$r$变为原来的$\dfrac{1}{4}$倍。
由线速度$v=\omega r=2\pi nr$
可得线速度变为原来的$\dfrac{1}{2}$倍。
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