（江苏专用）2021版高考物理一轮复习 第13章 振动 波动 实验18 用单摆测量重力加速度的大小教案.doc

实验十八用单摆测量重力加速度的大小1实验目的用单摆测量重力加速度的大小。2实验原理单摆在摆角很小(小于5)时的摆动，可看成简谐运动，其固有周期t2，可得g，通过实验方法测出摆长l和周期t，即可计算得到当地的重力加速度。3实验器材带孔小钢球一个、细线一条(约1 m长)、铁架台、米尺、停表、游标卡尺(或三角板)。4实验步骤(1)让线的一端穿过小球上的小孔，然后打一个比小孔大一些的线结，做成单摆。(2)把线的上端固定在铁架台的铁夹上，让铁夹伸到桌面以外，让摆球自然下垂，在单摆平衡位置处做上标记。(3)用米尺量出悬线长l(准确到mm)，用游标卡尺(或米尺和三角板)测出摆球的直径d(准确到mm)，然后计算出悬点到球心的距离ll即为摆长。(4)把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度(不超过5)，然后放开小球让它摆动，用停表测出单摆完成30或50次全振动的时间，计算出平均完成一次全振动的时间，这个时间就是单摆的振动周期。(5)改变摆长重做几次。(6)将实验器材放回原处。5注意事项(1)实验所用的单摆应符合理论要求，即线要细且弹性要小，摆球用密度和质量较大的小球，并且要在摆角不超过5的情况下进行实验。(2)要使单摆在竖直平面内振动，不能使其形成圆锥摆，方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放。(3)测量摆长时，摆长应为悬线长与摆球半径之和。(4)测单摆周期时，应从摆球通过平衡位置开始计时，并且采用倒数到0开始计时的方法，4、3、2、1、0、1、2、3在数“0”的同时按下秒表开始计时计数。(5)要注意进行多次测量，并取平均值。 实验原理与操作1适当加长摆线可以使周期大些，减小摆长与周期的测量误差，从而减小实验误差。2摆线上端需牢固地固定于o点，振动中出现松动，使摆长变大。3测长度时用米尺测出单摆自然下垂时摆线长度。1实验小组的同学们用如图所示的装置做“用单摆测定重力加速度”的实验。(1)测出悬点o到小球球心的距离(摆长)l及单摆完成n次全振动所用的时间t，则重力加速度g_(用l、n、t表示)。(2)实验时除用到秒表、刻度尺外，还应该用到下列器材中的_(选填选项前的字母)。a长约1 m的细线b长约1 m的橡皮绳c直径约1 cm的均匀铁球d直径约10 cm的均匀木球(3)选择好器材，将符合实验要求的单摆悬挂在铁架台上，应采用图_中所示的固定方式。甲乙(4)某实验小组组装单摆时，在摆线上端的悬点处，用一块开有狭缝的橡皮夹牢摆线，再用铁架台的铁夹将橡皮夹紧，如图所示。这样做的目的是_(填字母代号)。a保证摆动过程中摆长不变b可使周期测量得更加准确c需要改变摆长时便于调节d保证摆球在同一竖直平面内摆动(5)他组装好单摆后在摆球自然悬垂的情况下，用毫米刻度尺量得从悬点到摆球的最低端的长度l0.9990 m，再用游标卡尺测量摆球直径，结果如图所示，则该摆球的直径为_ mm。 (6)将单摆正确悬挂后进行如下操作，其中正确的是_(选填选项前的字母)。 a测出摆线长作为单摆的摆长b把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度释放，使之做简谐运动c在摆球经过平衡位置时开始计时d用秒表测量单摆完成1次全振动所用时间并作为单摆的周期(7)甲同学多次改变单摆的摆长并测得相应的周期，他根据测量数据画出了如图所示的图象，但忘记在图中标明横坐标所代表的物理量。你认为横坐标所代表的物理量是_(选填“l2”“l”或“”)，若图线斜率为k，则重力加速度g_(用k表示)。(8)乙同学测得的重力加速度数值大于当地的重力加速度的实际值，造成这一情况的原因可能是_(选填选项前的序号)。 a开始摆动时振幅较小b开始计时时，过早按下停表c测量周期时，误将摆球(n1)次全振动的时间记为n次全振动的时间d测量摆长时从悬点到小球下端边缘的距离为摆长解析(1)单摆的周期：t由单摆周期公式：t2可知，重力加速度：g；(2)摆线选择较细且结实的线为便于测量周期和减小空气阻力，则选取1 m左右的细线，故选择a线；为了减小空气阻力的影响，摆球选择质量大体积小的，故选择c球；故选a、c；(3)为了避免运动过程中摆长发生变化，悬点要固定，不能松动，则为图乙；(4)这样做的目的就是为了便于调节摆长，把摆线夹得更紧一些，使摆动过程中摆长不变。因此a、c正确；(5)游标卡尺示数为d12.0 mm；(6)摆长等于摆线的长度加上摆球的半径，则a错误；把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度释放，使之做简谐运动，b正确；在摆球经过平衡位置时开始计时，c正确；把秒表记录摆球一次全振动的时间作为周期，误差较大，应采用累积法测量周期，d错误；(7)据单摆周期公式t2所以应该作t图象，故横坐标所代表的物理量是，知斜率k解得g；(8)由周期公式t2，得g振幅大小与g无关，故a错误；开始计时时，过早按下秒表，周期偏大，则g偏小，故b错误；测量周期时，误将摆球(n1)次全振动的时间记为n次全振动的时间，则周期偏小，则g偏大，c正确；摆长等于摆线的长度加上摆球的半径，若测量摆长时从悬点到小球下端边缘的距离为摆长，摆长偏大，由g，所以g偏大，故d正确。答案(1)(2)ac(3)乙(4)ac(5)12.0(6)bc(7)(8)cd2利用单摆可以通过实验测量当地的重力加速度。如图甲所示，将细线的上端固定在铁架台上，下端系一小钢球，就做成了单摆。甲乙(1)以下是实验过程中的一些做法，其中正确的有_。a摆球应选用直径较小、密度较大的小球，摆线应选用细而不易伸长的线b为了便于记录周期，开始时将摆球拉开，应使摆线与平衡位置有较大角度c记录周期时，当摆球通过平衡位置时开始计时，摆球再次回到平衡位置停止计时，此时间间隔为t，则单摆周期t2td记录周期时，当摆球通过平衡位置时开始计时，记下摆球做30次全振动所用的时间t，则单摆周期t(2)若已测出悬点到小球球心的距离(摆长)l及单摆完成n次全振动所用的时间t，则重力加速度g_(用l、n、t表示)。(3)图乙是摆线长为l时小球的振动图象，取g10 m/s2，210，则小球的回复加速度最大值为_ m/s2。解析(1)该实验中，摆线应选用细而不易伸长的线，避免在摆动过程中摆长发生改变，且长度要适当长一些；为了避免空气阻力的影响，应选用体积比较小，密度较大的小球，故a正确；单摆的最大摆角应小于5，因而开始时拉开摆球，使摆线相距平衡位置不能有太大的角度，故b错误；为准确测量单摆周期，应从摆球经过平衡位置时开始计时，测出多个周期的时间，然后求出平均值作为周期，故c错误；为减小实验误差，拉开摆球，使摆线偏离平衡位置不大于5，释放摆球，当摆球振动稳定后，从平衡位置开始计时，记下摆球做30次全振动所用的时间t，则单摆周期t，故d正确。(2)单摆周期公式t2，其中t，联立解得：g。(3)由图知a5 cm，t2 s，根据单摆周期公式t2，解得：l1 m；小球的回复加速度在x5 cm或x5 cm时最大，根据牛顿第二定律得：amgsin g100.5 m/s2。答案(1)ad(2)(3)0.53在“利用单摆测重力加速度”的实验中，(1)以下做法正确的是_。a测量摆长时，用刻度尺量出悬点到摆球间的细线长度作为摆长lb测量周期时，从小球经过平衡位置开始计时，经历50次全振动总时间为t，则周期为c摆动中出现了轻微的椭圆摆情形，王同学认为对实验结果没有影响而放弃了再次实验的机会d释放单摆时，应注意细线与竖直方向的夹角不能超过5(2)黄同学先测得摆线长为97.92 cm，后用游标卡尺测得摆球直径(如图)，读数为_ cm；再测得单摆的周期为2 s，最后算出当地的重力加速度g的值为_ m/s2。(2取9.86，结果保留两位小数)(3)实验中，如果摆球密度不均匀，无法确定重心位置，刘同学设计了一个巧妙的方法不计摆球的半径。具体做法如下：第一次量得悬线长l1，测得振动周期为t1；第二次量得悬线长l2，测得振动周期为t2，由此可推得重力加速度的表达式为g_。解析(1)测量摆长时，用刻度尺量出悬点到摆球间的细线长度，再加摆球的半径作为摆长l，选项a错误；测量周期时，从小球经过平衡位置开始计时，经历50次全振动总时间为t，则周期为t/50，选项b正确；摆动中出现了轻微的椭圆摆情形，这对实验结果是有影响的，选项c错误；释放单摆时，应注意细线与竖直方向的夹角不能超过5，选项d正确。(2)摆球直径：主尺读数为：2.1 cm，游标尺读数：60.1 mm0.6 mm，则d2.16 cm；根据t2解得g m/s29.76 m/s2。(3)设摆球的重心到线与球结点的距离为r，根据单摆周期的公式：t2得：t12，t22，联立两式解得：g。答案(1)bd (2)2.169.76(3)42 数据处理与误差分析1公式法将几次测得的周期t和摆长l分别代入关系式g，算出各组数据对应的重力加速度g的值，再算出g的平均值，即为当地的重力加速度的值。2图象法由单摆的周期公式t2可得lt2，因此以摆长l为纵轴，以t2为横轴作出的lt2图象是一条过原点的直线，如图所示，求出斜率k，即可求出g值。g42k，k。1在“用单摆测定重力加速度”的实验中，某实验小组在测量单摆的周期时，测得摆球经过n次全振动的总时间为t；在测量单摆的摆长时，先用毫米刻度尺测得摆线长为l，再用游标卡尺测量摆球的直径为d，某次测量游标卡尺的示数如图甲所示。甲乙回答下列问题：(1)从甲图可知，摆球的直径为d_ mm；(2)该单摆的周期为_。(3)为了提高实验的准确度，在实验中可改变几次摆长l并测出相应的周期t，从而得出几组对应的l和t的数值，以l为横坐标、t2为纵坐标作出t2l图线，但同学们不小心每次都把小球直径当作半径来计算摆长，由此得到的t2l图象是图乙中的_(选填“”“”或“”)，由图象可得当地重力加速度g_；由此得到的g值会_(选填“偏小”“不变”“偏大”)。解析(1)由图示游标卡尺可知，主尺示数是16 mm，游标尺示数是40.1 mm0.4 mm，金属球的直径为16 mm0.4 mm16.4 mm。(2)由于测得摆球经过n次全振动的总时间为t，所以该单摆的周期为t。(3)由单摆周期公式t2可知t2l，则t2l图象的斜率k，则重力加速度g，但同学们不小心每次都把小球直径当作半径来计算摆长，则有t2(lr)，由此得到的t2l图象是图乙中的，由于图线的斜率不变，计算得到的g值不变，由图象可得k，当地重力加速度g。答案(1)16.4 (2) (3)不变2在“用单摆测定重力加速度”的实验中，测出了单摆在摆角小于5时完成n次全振动的时间为t，如图甲所示用毫米刻度尺测得摆线长为l，又用游标卡尺测得摆球直径为d，如图乙所示。甲乙丙(1)由图可知摆球直径是_ cm，单摆摆长是_ m。(2)实验中某同学每次的测定值都比其它同学偏大，其原因可能是_。a他的摆球比别的同学的重b他的摆没在竖直面内摆动，而成了圆锥摆c数摆动次数时，在计时的同时，就开始数1，误将29次全振动记成了30次d直接将线长作为摆长来计算(3)利用单摆周期公式测定重力加速度时测出不同摆长l时相应的周期值t，做t2l图线，如图丙所示。t2与l的关系式t2_，利用图线上任两点a、b的坐标(x1，y1)、(x2，y2)可求出图线的斜率k_，再由k可求出g_。解析(1)游标卡尺的主尺读数为20 mm，游标读数为0.10 mm0.0 mm，则最终读数为20.0 mm2.00 cm，摆长的大小ll99.00 cm1.00 cm100.00 cm1.000 0 m。(2)根据t2得，g。由公式可知，重力加速度的测量值的大小与摆球的质量无关，故a错误；他的摆没在竖直面内摆动，而成了圆锥摆，设圆锥摆的摆线与竖直方向之间的夹角为，则：mgtan msin ，可得：t2，可知圆锥摆的周期小于单摆的周期；由于t的测量值减小，所以重力加速度g的测量值增大，故b正确；数摆动次数时，在计时的同时，就开始数1，误将29次全振动记成了30次，则周期的测量值：t，全振动次数n增大，则周期t的测量值减小，所以重力加速度g的测量值增大，故c正确；直接将线长作为摆长来计算，则摆长l减小，所以重力加速度g的测量值减小，故d错误。(3)根据t2得：t2则图线的斜率为：k则有：g。答案(1)2.001.000 0(2)bc(3)3在“用单摆测定重力加速度”的实验中：(1)由公式g求得的 g 值偏小，可能是由于_。a测量摆长时，只测量了摆线长度b悬点固定不牢，摆动中摆线被拉长了 c测量周期时，将 n 次全振动误记为 n1 次全振动d选择了质量大体积小的摆球(2)下列摆动图象真实地描述了对摆长约为1 m的单摆进行周期测量的四种操作过程，图中横坐标原点表示计时开始，a、b、c均为30次全振动图象，已知sin 50.087，sin 150.026，这四种操作过程合乎实验要求且误差最小的是_(填字母代号)。abcd(3)某同学利用单摆测定当地重力加速度，发现单摆静止时摆球重心在球心的正下方。他仍将从悬点到球心的距离当作摆长l，通过改变摆线的长度，测得6组l和对应的周期t，画出lt2图线，然后在图线上选取a、b两个点，坐标如图所示。他采用恰当的数据处理方法，则计算重力加速度的表达式应为g_。请你判断该同学得到的实验结果与摆球重心就在球心处的情况相比，将_(填“偏大”“偏小”或“相同”)。解析(1)根据公式g：若测量摆长时，只测量了摆线长度，测得摆线比实际小，则测量的g值偏小，a正确；摆动中摆线被拉长了，导致实际摆线比测量摆线长，即测量摆线短，根据公式g，可知，测量g值偏小，b正确；测量周期时，将n次全振动误记为n1次全振动，使得测量周期偏小，根据公式可知，测量g值偏大，c错误；实验中为了减小阻力带来的误差，选择质量大体积小的摆球，所以选择了质量大体积小的摆球，测量g值不会偏小，d错误。(2)摆角小于5，我们认为小球做简谐运动，摆长约为1 m的单摆，可以计算得出振幅：a1sin 50.087 m，可近似为8 cm，而在测量时间时，为了减小误差，从平衡位置开始计时，所以b、c、d错误，a正确。(3)根据单摆周期公式：t2，得：l，则图象斜率k，所以g；由图象可知l与t2成正比，由于单摆摆长偏大还是偏小不影响图象的斜率k，因此摆长偏小不影响重力加速度的测量值，用图线法求得的重力加速度准确，该同学得到的实验结果与摆球重心就在球心处的情况相比，将相同。答案(1)ab(2)a(3)相同 实验拓展与创新利用dis测周期在“利用单摆测重力加速度”的实验中：(1)某同学尝试用dis测量周期。如图，用一个磁性小球代替原先的摆球，在单摆下方放置一个磁传感器，其轴线恰好位于单摆悬挂点正下方。图中磁传感器的引出端a应接到数据采集器。使单摆做小角度摆动，当磁感应强度测量值最大时，磁性小球位于_。若测得连续n个磁感应强度最大值之间的时间间隔为t，则单摆周期的测量值为_(地磁场和磁传感器的影响可忽略)。(2)多次改变摆长使单摆做小角度摆动，测量摆长l及相应的周期t。此后，分别取l和t的对数，所得到的lg tlg l图线为_(选填“直线”“对数曲线”或