資源簡介 實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度1.(2025·江西鷹潭期末)科技文化節(jié)中,某興趣小組做了如下實(shí)驗(yàn)。利用單擺測量重力加速度,實(shí)驗(yàn)操作如下:(1)使用游標(biāo)卡尺測量實(shí)心鋼球的直徑,鋼球直徑為d;(2)將器材按圖甲方式連接,用刻度尺測量出懸點(diǎn)與鋼球最上端間細(xì)線長度為l,使鋼球按照圖乙方式運(yùn)動(dòng),擺角小于5°,鋼球第1次經(jīng)過最低點(diǎn)處開始計(jì)時(shí),第n次經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)的總時(shí)間為t,則重力加速度g= ;(用測得的物理量表示)(3)若鋼球?qū)嶋H按圖丙方式在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),但仍然視作單擺,則測算出的重力加速度值 (選填“偏大”或“偏小”);(4)另一位同學(xué)直接用米尺和三角板測量了單擺的擺長,如圖丁,則單擺擺長是 m。2.(2025·天津河?xùn)|區(qū)模擬)某同學(xué)在學(xué)習(xí)完單擺的相關(guān)知識(shí)后,想要在家利用手邊的物品測量本地的重力加速度。用不規(guī)則的鑰匙扣代替小球做成簡易單擺裝置,手機(jī)上的計(jì)時(shí)功能代替秒表,實(shí)驗(yàn)過程如下:(1)用家中軟尺測得懸掛點(diǎn)O到鑰匙扣連接處M的長度為l;(2)拉開單擺較小角度后將鑰匙扣由靜止釋放,并在鑰匙扣第1次通過最低點(diǎn)按下計(jì)時(shí)“開始”按鈕,用手機(jī)記錄鑰匙扣發(fā)生N次全振動(dòng)的時(shí)間為t,則單擺的周期T為 ;(3)若該同學(xué)多次改變細(xì)線長度得到多組數(shù)據(jù),描點(diǎn)作出得到T2-l圖像,得到的圖像可能是圖中三條曲線的 (選填“a”“b”或“c”)曲線;(4)鑰匙扣的形狀不規(guī)則,對上述實(shí)驗(yàn)測得的重力加速度 (選填“有”或者“無”)影響。3.(2025·江西撫州模擬)某同學(xué)利用單擺測量重力加速度。(1)該同學(xué)采用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置。①為比較準(zhǔn)確地測量出當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊臄?shù)值,除秒表外,在下列器材中,還應(yīng)該選用 。(用器材前的字母表示)a.長度為30 cm左右的細(xì)繩b.長度為1 m左右的細(xì)繩c.直徑為1.8 cm的鐵球d.直徑為1.6 cm的塑料球e.最小刻度為10 mm的米尺f.最小刻度為1 mm的米尺②用游標(biāo)卡尺測量小球直徑,示數(shù)如圖丙所示,讀數(shù)為 cm。(2)①該同學(xué)測出單擺的擺長為l,不同擺長時(shí)對應(yīng)的單擺周期為T,利用圖像方法處理數(shù)據(jù),作T2-l圖時(shí)描點(diǎn)如圖丁。若他在圖上將各數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條直線,可以得到的當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹椤 /s2(保留3位有效數(shù)字,π2=9.86)。②該同學(xué)在圖甲所示裝置的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)速度傳感器,如圖乙所示,將擺球拉開一小角度使其做簡諧運(yùn)動(dòng),速度傳感器記錄了擺球振動(dòng)過程中速度隨時(shí)間變化的關(guān)系,如圖戊所示的v-t圖線。估算小球能擺到的最大高度約為 m(保留1位有效數(shù)字)。4.(2025·八省聯(lián)考河南卷)學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組利用單擺測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?shí)驗(yàn)器材有:鐵架臺(tái)、細(xì)線、擺球、秒表、卷尺等。完成下列問題:(1)實(shí)驗(yàn)時(shí),將細(xì)線的一端連接擺球,另一端固定在鐵架臺(tái)上O點(diǎn),如圖1所示。然后將擺球拉離平衡位置,使細(xì)線與豎直方向成夾角θ(θ<5°),釋放擺球,讓單擺開始擺動(dòng)。為了減小計(jì)時(shí)誤差,應(yīng)該在擺球擺至 (填“最低點(diǎn)”或“最高點(diǎn)”)時(shí)開始計(jì)時(shí)。(2)選取擺線長度為100.0 cm時(shí),測得擺球擺動(dòng)30個(gè)完整周期的時(shí)間(t)為60.60 s。若將擺線長度視為擺長,求得重力加速度大小為 m/s2。(取π2=9.870,結(jié)果保留3位有效數(shù)字)(3)選取不同的擺線長度重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),相關(guān)數(shù)據(jù)匯總在下表中,在坐標(biāo)紙上作出擺線長度(l)和單擺周期的二次方(T2)的關(guān)系曲線,如圖2所示。l/m 0.800 0.900 1.000 1.100 1.200t/s 54.17 57.54 60.60 63.55 66.34T2/s2 3.26 3.68 4.08 4.49 4.89設(shè)直線斜率為k,則重力加速度可表示為g= (用k表示)。由圖2求得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮椤 /s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。(4)用圖像法得到的重力加速度數(shù)值要比(2)中得到的結(jié)果更精確,原因是 。5.(2025·遼寧葫蘆島模擬)智能手機(jī)中的“磁傳感器”功能可實(shí)時(shí)記錄手機(jī)附近磁場的變化,磁極越靠近手機(jī),磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,通過分析就可以得到物體位置隨時(shí)間變化的規(guī)律。某興趣小組用智能手機(jī)、磁化小球、支架等實(shí)驗(yàn)器材組裝成如圖甲所示的裝置來測量重力加速度。(1)按照如圖甲所示,讓小球做簡諧運(yùn)動(dòng),運(yùn)行手機(jī)“磁傳感器”功能,手機(jī)記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。記錄實(shí)驗(yàn)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況如圖乙所示,測得連續(xù)N個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值之間的時(shí)間間隔為t,則單擺周期T的測量值為 。(2)用刻度尺測得擺線長度l,用螺旋測微器測量擺球直徑如圖丙所示,擺球直徑d= mm。則單擺的擺長L=l+。(3)改變擺線長度,測量出不同擺長L及對應(yīng)的周期T。作出T2-L圖像如圖丁所示,π取3.14。根據(jù)圖丁中數(shù)據(jù)可求得當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭= m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(4)請你寫出一條在該實(shí)驗(yàn)中影響結(jié)果的可能原因 。實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度1.(2) (3)偏大 (4)0.900 0解析:(2)根據(jù)題意可知單擺的擺長為L=l+鋼球第1次經(jīng)過最低點(diǎn)處開始計(jì)時(shí),第n次經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)的總時(shí)間為t,則T=t由單擺的周期公式有T=2π聯(lián)立解得g=。(3)設(shè)繩與中心線的夾角為θ,由牛頓第二定律有mgtan θ=mLsin θ解得圓錐擺的周期為T1=2π<T故小球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)比單擺的周期短,在時(shí)間t內(nèi)完成周期性的次數(shù)n變多,因此測算出的重力加速度值偏大。(4)米尺的最小分度為0.1 cm,讀數(shù)時(shí)需要估讀到下一位,則單擺擺長是90.00 cm=0.900 0 m。2.(2) (3)c (4)無解析:(2)鑰匙扣發(fā)生N次全振動(dòng)的時(shí)間為t,則單擺的周期T為T=。(3)令鑰匙扣的重心到鑰匙扣與細(xì)線連接處的間距為d,根據(jù)周期公式有T=2π變形得T2=l+可知,T2-l圖像與縱軸的截距為正值,即得到的圖像可能是題圖中三條曲線的c曲線。(4)結(jié)合上述與T2-l圖像,若圖像的斜率為k,則有=k解得g=可知,鑰匙扣的形狀不規(guī)則,對上述實(shí)驗(yàn)測得的重力加速度無影響。3.(1)①bcf ②1.86 (2)①9.86 ②0.05解析:(1)①根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,為了控制角度,方便計(jì)算,擺長應(yīng)選長度接近1 m的細(xì)繩;為減小空氣阻力的影響,應(yīng)選用體積較小的實(shí)心金屬球,故選直徑為1.8 cm的鐵球;根據(jù)T=2π得g=,可知需要測量擺長,所以需要最小刻度為1 mm的米尺。故選b、c、f。②讀數(shù)為18 mm+6×0.1 mm=18.6 mm=1.86 cm。(2)①根據(jù)T=2π得T2=l知圖線的斜率k== s2/m=4 s2/m解得g=9.86 m/s2。②由題圖戊可知,該單擺的最大速度v=100 cm/s=1 m/s根據(jù)機(jī)械能守恒定律有mgh=mv2解得小球能擺到的最大高度約為h=0.05 m。4.(1)最低點(diǎn) (2)9.68 (3)4π2k 9.69 (4)見解析解析:(1)擺球經(jīng)過最低點(diǎn)的位置時(shí)速度最大,在相等的距離誤差上引起的時(shí)間誤差最小,測得周期誤差最小;所以為了減小測量周期的誤差,擺球應(yīng)選經(jīng)過最低點(diǎn)的位置時(shí)開始計(jì)時(shí)。(2)根據(jù)題意可知擺球擺動(dòng)的周期T==2.02 s根據(jù)單擺周期公式T=2π其中l(wèi)=100.0 cm=1.000 m代入數(shù)據(jù)可得g≈9.68 m/s2。(3)根據(jù)單擺周期公式T=2π整理可得l=·T2可知l-T2圖線斜率k=則重力加速度可表示為g=4π2k由題圖2求得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=4π2× m/s2≈9.69 m/s2。(4)圖像法得到的重力加速度數(shù)值要比(2)中得到的結(jié)果更精確,其原因是用圖像法處理數(shù)據(jù)時(shí),無論是否考慮擺球的半徑,圖像斜率均為,對g的測量沒有影響。5.(1) (2)13.870 (3)9.86 (4)存在空氣阻力(擺線有質(zhì)量、周期測量及長度測量存在誤差)解析:(1)小球每次經(jīng)過最右端位置時(shí),距離手機(jī)最近,手機(jī)“磁傳感器”記錄的磁感應(yīng)強(qiáng)度就最大,可知相鄰兩次磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值之間的時(shí)間間隔為一個(gè)周期,則單擺周期T=。(2)螺旋測微器測量擺球直徑d為13.5 mm+37.0×0.01 mm=13.870 mm。(3)T=2πT2=·l+故斜率為k== s2/m=4 s2/m解得g≈9.86 m/s2。(4)存在空氣阻力、擺線有質(zhì)量、周期測量及長度測量存在誤差。4 / 4實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度一、實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)擺角較小時(shí),單擺做簡諧運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)周期為T=2π,由此得到g=,因此,只要測出 和 ,就可以求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的值。二、實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái)、單擺、 、毫米刻度尺、 。三、實(shí)驗(yàn)過程1.讓細(xì)線的一端穿過金屬小球的小孔,做成單擺。2.把細(xì)線的上端用鐵夾固定在鐵架臺(tái)上,把鐵架臺(tái)放在實(shí)驗(yàn)桌邊,使鐵夾伸到桌面以外,讓擺球自然下垂,在單擺平衡位置處做上標(biāo)記,如圖所示。3.用毫米刻度尺量出擺線長度l',用游標(biāo)卡尺測出金屬小球的直徑,得出金屬小球半徑r,計(jì)算出擺長l= 。4.把單擺從平衡位置處拉開一個(gè)很小的角度(小于5°),然后放開金屬小球,讓金屬小球擺動(dòng),待擺動(dòng)平穩(wěn)后測出單擺完成30~50次全振動(dòng)所用的時(shí)間t,計(jì)算出單擺的振動(dòng)周期T。5.根據(jù)單擺周期公式,計(jì)算當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?br/>6.改變擺長,重做幾次實(shí)驗(yàn)。四、數(shù)據(jù)處理1.公式法:利用T=求出周期,算出三次測得的周期的平均值,然后利用公式g=求重力加速度。2.圖像法:根據(jù)測出的一系列擺長l對應(yīng)的周期T,作l-T2的圖像,由單擺周期公式得l=T2,圖像應(yīng)是一條 ,如圖所示,求出圖線的斜率k,即可利用g= 求出重力加速度。五、注意事項(xiàng)1.一般選用一米左右的細(xì)線。2.懸線頂端不能晃動(dòng),需用夾子夾住,保證懸點(diǎn)固定。3.應(yīng)在小球自然下垂時(shí)用毫米刻度尺測量懸線長。4.單擺必須在同一平面內(nèi)振動(dòng),且擺角小于 。5.選擇在擺球擺到 開始計(jì)時(shí),并數(shù)準(zhǔn)全振動(dòng)的次數(shù)。六、誤差分析1.系統(tǒng)誤差:本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差主要來源于單擺模型本身是否符合要求,即:懸點(diǎn)是否固定,球、線是否符合要求,擺動(dòng)是圓錐擺還是在同一豎直平面內(nèi)的擺動(dòng)以及測量哪段長度作為擺長等等。2.偶然誤差:本實(shí)驗(yàn)的偶然誤差主要來自時(shí)間(即單擺周期)的測量上。為了減小偶然誤差,應(yīng)進(jìn)行多次測量后取平均值。考點(diǎn)一 教材原型實(shí)驗(yàn)(2024·廣西高考11題)單擺可作為研究簡諧運(yùn)動(dòng)的理想模型。(1)制作單擺時(shí),在圖甲、圖乙兩種單擺的懸掛方式中,選擇圖甲方式的目的是要保持?jǐn)[動(dòng)中 不變。(2)用游標(biāo)卡尺測量擺球直徑,測得讀數(shù)如圖丙,則擺球直徑為 cm。(3)若將一個(gè)周期為T的單擺,從平衡位置拉開5°的角度釋放,忽略空氣阻力,擺球的振動(dòng)可看為簡諧運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,以釋放時(shí)刻作為計(jì)時(shí)起點(diǎn),則擺球偏離平衡位置的位移x與時(shí)間t的關(guān)系為 。嘗試解答(2025·安徽蕪湖模擬)某同學(xué)做“用單擺測量重力加速度”的實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖如圖甲所示。 (1)安裝好實(shí)驗(yàn)裝置后,先用刻度尺測量擺線長l,再用游標(biāo)卡尺測量擺球直徑d的示數(shù)如圖乙所示,則d= mm。(2)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中各測量數(shù)據(jù)均正確無誤,但他在用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),作出的T2-L圖像如圖丙所示,圖線與縱軸正半軸有交點(diǎn),造成圖線不通過原點(diǎn)的原因是 。分析原因后,該同學(xué)認(rèn)為不用重新繪制圖像也能得出重力加速度的大小,則該同學(xué)本次實(shí)驗(yàn)測量的重力加速度g= m/s2(取π2=9.86,結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。由于圖線沒有通過坐標(biāo)原點(diǎn),求出的重力加速度g值與當(dāng)?shù)卣鎸?shí)值相比 (選填“偏大”“偏小”或“相等”)。嘗試解答考點(diǎn)二 創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)如圖甲所示,某學(xué)習(xí)小組在實(shí)驗(yàn)室做“探究單擺的周期與擺長的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。(1)若利用拉力傳感器記錄拉力隨時(shí)間變化的關(guān)系,由圖乙可知,該單擺的周期為T= s。(2)在多次改變擺線長度測量后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)作出周期與擺線長度的關(guān)系(T2-L)圖線,并根據(jù)圖線擬合得到方程T2=kL+b,由此可知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭= ,擺球半徑r= (用k、b、π表示)。嘗試解答創(chuàng)新分析1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新:由“用單擺測量重力加速度”創(chuàng)新為“探究單擺的周期與擺長的關(guān)系”,但實(shí)驗(yàn)原理不變。2.實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新:使用拉力傳感器繪制拉力隨時(shí)間變化的F-t圖像。3.數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新:由F-t圖線分析單擺的周期。(2024·吉林高考12題)圖a為一套半圓拱形七色彩虹積木示意圖,不同顏色的積木直徑不同。某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)探究這套積木小幅擺動(dòng)時(shí)周期T與外徑D之間的關(guān)系。(1)用刻度尺測量不同顏色積木的外徑D,其中對藍(lán)色積木的某次測量如圖b所示,從圖中讀出D= cm。(2)將一塊積木靜置于硬質(zhì)水平桌面上,設(shè)置積木左端平衡位置的參考點(diǎn)O,將積木的右端按下后釋放,如圖c所示。當(dāng)積木左端某次與O點(diǎn)等高時(shí)記為第0次并開始計(jì)時(shí),第20次時(shí)停止計(jì)時(shí),這一過程中積木擺動(dòng)了 個(gè)周期。(3)換用其他積木重復(fù)上述操作,測得多組數(shù)據(jù)。為了探究T與D之間的函數(shù)關(guān)系,可用它們的自然對數(shù)作為橫、縱坐標(biāo)繪制圖像進(jìn)行研究,數(shù)據(jù)如下表所示:顏色 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫ln D 2.939 2 2.788 1 2.595 3 2.484 9 2.197 …… 1.792ln T -0.45 -0.53 -0.56 -0.65 -0.78 -0.92 -1.02根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制出ln T-ln D圖像如圖d所示,則T與D的近似關(guān)系為 。A.T∝ B.T∝D2C.T∝ D.T∝(4)請寫出一條提高該實(shí)驗(yàn)精度的改進(jìn)措施: 。嘗試解答創(chuàng)新分析1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新:探究積木小幅擺動(dòng)周期T與外徑D之間的關(guān)系。2.數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新:利用ln T-ln D圖像,確定T與D的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度【立足“四層”·夯基礎(chǔ)】一、擺長l 振動(dòng)周期T二、游標(biāo)卡尺 停表三、3.l'+r四、2.過原點(diǎn)的直線 4π2k五、4.5° 5.平衡位置處時(shí)【著眼“四翼”·探考點(diǎn)】考點(diǎn)一【典例1】 (1)擺長 (2)1.06 (3)x=cos解析:(1)選擇題圖甲方式的目的是要保持?jǐn)[動(dòng)中擺長不變。(2)擺球直徑為d=1.0 cm+6×0.1 mm=1.06 cm。(3)根據(jù)單擺的周期公式T=2π可得單擺的擺長為l=從平衡位置拉開5°的角度處釋放,可得振幅為A=lsin 5°以該位置為計(jì)時(shí)起點(diǎn),根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得擺球偏離平衡位置的位移x與時(shí)間t的關(guān)系為x=Acos ωt=cos。【典例2】 (1)20.00 (2)計(jì)算擺長時(shí)沒有加小球的半徑 9.81相等解析:(1)該游標(biāo)卡尺為20分度的游標(biāo)卡尺,游標(biāo)尺每小格與主尺每小格相差0.05 mm,由游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則可知擺球直徑d=20 mm+0×0.05 mm=20.00 mm。(2)根據(jù)單擺周期公式有T=2π得T2=圖線不通過原點(diǎn),且圖線向左移動(dòng),橫坐標(biāo)變小,是由于計(jì)算擺長時(shí)沒有加小球的半徑。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可知,T2-L圖線的斜率k=則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=由于L=l+r,則T2===+把l當(dāng)作L,圖線在橫軸上的截距的絕對值等于擺球半徑r。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可知,對于T2-L圖像來說兩種情況下圖線的斜率不變,所以測得的g值不變。結(jié)合題圖丙可知圖線的斜率k= s2/m= s2/m所以重力加速度g==9.81 m/s2故求出的重力加速度g值與當(dāng)?shù)卣鎸?shí)值相等。考點(diǎn)二【典例3】 (1)2.0 (2) 解析:(1)單擺擺動(dòng)過程中,每次經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)拉力最大,每次經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí)拉力最小,拉力變化的周期為1.0 s,故單擺的周期為2.0 s。(2)根據(jù)T=2π得T2=l=L+r,知圖線的斜率k=,因此g=;而l=L+r,圖線擬合得到方程為T2=kL+b,因此擺球半徑r=。【典例4】 (1)7.54(7.53~7.55均可) (2)10 (3)A(4)多次測量同一顏色的積木的周期求平均值解析:(1)根據(jù)刻度尺的讀數(shù)規(guī)則可知D=7.54 cm。(2)結(jié)合單擺的運(yùn)動(dòng)分析可知,積木左端與O點(diǎn)等高后,向下(向上)運(yùn)動(dòng)后再次與O點(diǎn)等高,之后向上(向下)運(yùn)動(dòng)后又一次與O點(diǎn)等高,此過程為一個(gè)周期,則題述過程中積木擺動(dòng)了10個(gè)周期。(3)根據(jù)題圖d有l(wèi)n T=kln D+b,其中k==,則有l(wèi)n T=ln D+b=ln +b,根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可得T與D的近似關(guān)系為T∝,A正確。(4)可以多次測量同一顏色的積木的周期求平均值,從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。4 / 4(共52張PPT)實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度高中總復(fù)習(xí)·物理目 錄01立足”四層”·夯基礎(chǔ)02著眼“四翼”·探考點(diǎn)03培養(yǎng)“思維”·重落實(shí)概念 公式 定理立足“四層”·夯基礎(chǔ)一、實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)擺角較小時(shí),單擺做簡諧運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)周期為T=2π,由此得到g=,因此,只要測出 和 ,就可以求出當(dāng)?shù)氐闹亓?br/>加速度g的值。二、實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái)、單擺、 、毫米刻度尺、 。擺長l 振動(dòng)周期T 游標(biāo)卡尺 停表 三、實(shí)驗(yàn)過程1. 讓細(xì)線的一端穿過金屬小球的小孔,做成單擺。2. 把細(xì)線的上端用鐵夾固定在鐵架臺(tái)上,把鐵架臺(tái)放在實(shí)驗(yàn)桌邊,使鐵夾伸到桌面以外,讓擺球自然下垂,在單擺平衡位置處做上標(biāo)記,如圖所示。3. 用毫米刻度尺量出擺線長度l',用游標(biāo)卡尺測出金屬小球的直徑,得出金屬小球半徑r,計(jì)算出擺長l= 。4. 把單擺從平衡位置處拉開一個(gè)很小的角度(小于5°),然后放開金屬小球,讓金屬小球擺動(dòng),待擺動(dòng)平穩(wěn)后測出單擺完成30~50次全振動(dòng)所用的時(shí)間t,計(jì)算出單擺的振動(dòng)周期T。5. 根據(jù)單擺周期公式,計(jì)算當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?br/>6. 改變擺長,重做幾次實(shí)驗(yàn)。l'+r 四、數(shù)據(jù)處理1. 公式法:利用T=求出周期,算出三次測得的周期的平均值,然后利用公式g=求重力加速度。2.圖像法:根據(jù)測出的一系列擺長l對應(yīng)的周期T,作l-T2的圖像,由單擺周期公式得l=T2,圖像應(yīng)是一條 ,如圖所示,求出圖線的斜率k,即可利用g= 求出重力加速度。過原點(diǎn)的直線 4π2k 五、注意事項(xiàng)1. 一般選用一米左右的細(xì)線。2. 懸線頂端不能晃動(dòng),需用夾子夾住,保證懸點(diǎn)固定。3. 應(yīng)在小球自然下垂時(shí)用毫米刻度尺測量懸線長。4. 單擺必須在同一平面內(nèi)振動(dòng),且擺角小于 。5. 選擇在擺球擺到 開始計(jì)時(shí),并數(shù)準(zhǔn)全振動(dòng)的次數(shù)。5° 平衡位置處時(shí) 六、誤差分析1. 系統(tǒng)誤差:本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差主要來源于單擺模型本身是否符合要求,即:懸點(diǎn)是否固定,球、線是否符合要求,擺動(dòng)是圓錐擺還是在同一豎直平面內(nèi)的擺動(dòng)以及測量哪段長度作為擺長等等。2. 偶然誤差:本實(shí)驗(yàn)的偶然誤差主要來自時(shí)間(即單擺周期)的測量上。為了減小偶然誤差,應(yīng)進(jìn)行多次測量后取平均值。題型 規(guī)律 方法著眼“四翼”·探考點(diǎn)考點(diǎn)一 教材原型實(shí)驗(yàn)(2024·廣西高考11題)單擺可作為研究簡諧運(yùn)動(dòng)的理想模型。(1)制作單擺時(shí),在圖甲、圖乙兩種單擺的懸掛方式中,選擇圖甲方式的目的是要保持?jǐn)[動(dòng)中 不變。解析: 選擇題圖甲方式的目的是要保持?jǐn)[動(dòng)中擺長不變。擺長 (2)用游標(biāo)卡尺測量擺球直徑,測得讀數(shù)如圖丙,則擺球直徑為 cm。解析: 擺球直徑為d=1.0 cm+6×0.1 mm=1.06 cm。1.06 (3)若將一個(gè)周期為T的單擺,從平衡位置拉開5°的角度釋放,忽略空氣阻力,擺球的振動(dòng)可看為簡諧運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,以釋放時(shí)刻作為計(jì)時(shí)起點(diǎn),則擺球偏離平衡位置的位移x與時(shí)間t的關(guān)系為 。解析: 根據(jù)單擺的周期公式T=2π可得單擺的擺長為l=從平衡位置拉開5°的角度處釋放,可得振幅為A=lsin 5°以該位置為計(jì)時(shí)起點(diǎn),根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得擺球偏離平衡位置的位移x與時(shí)間t的關(guān)系為x=Acos ωt=cos。x=cos (2025·安徽蕪湖模擬)某同學(xué)做“用單擺測量重力加速度”的實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖如圖甲所示。(1)安裝好實(shí)驗(yàn)裝置后,先用刻度尺測量擺線長l,再用游標(biāo)卡尺測量擺球直徑d的示數(shù)如圖乙所示,則d= mm。20.00 解析: 該游標(biāo)卡尺為20分度的游標(biāo)卡尺,游標(biāo)尺每小格與主尺每小格相差0.05 mm,由游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則可知擺球直徑d=20 mm+0×0.05 mm=20.00 mm。(2)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中各測量數(shù)據(jù)均正確無誤,但他在用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),作出的T2-L圖像如圖丙所示,圖線與縱軸正半軸有交點(diǎn),造成圖線不通過原點(diǎn)的原因是 。分析原因后,該同學(xué)認(rèn)為不用重新繪制圖像也能得出重力加速度的大小,則該同學(xué)本次實(shí)驗(yàn)測量的重力加速度g= m/s2(取π2=9.86,結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。由于圖線沒有通過坐標(biāo)原點(diǎn),求出的重力加速度g值與當(dāng)?shù)卣鎸?shí)值相比 (選填“偏大”“偏小”或“相等”)。計(jì)算擺長時(shí)沒有加小球的半徑 9.81 相等 解析: 根據(jù)單擺周期公式有T=2π得T2=圖線不通過原點(diǎn),且圖線向左移動(dòng),橫坐標(biāo)變小,是由于計(jì)算擺長時(shí)沒有加小球的半徑。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可知,T2-L圖線的斜率k=則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=由于L=l+r,則T2===+把l當(dāng)作L,圖線在橫軸上的截距的絕對值等于擺球半徑r。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可知,對于T2-L圖像來說兩種情況下圖線的斜率不變,所以測得的g值不變。結(jié)合題圖丙可知圖線的斜率k= s2/m= s2/m所以重力加速度g==9.81 m/s2故求出的重力加速度g值與當(dāng)?shù)卣鎸?shí)值相等。考點(diǎn)二 創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)如圖甲所示,某學(xué)習(xí)小組在實(shí)驗(yàn)室做“探究單擺的周期與擺長的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。(1)若利用拉力傳感器記錄拉力隨時(shí)間變化的關(guān)系,由圖乙可知,該單擺的周期為T= s。解析: 單擺擺動(dòng)過程中,每次經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)拉力最大,每次經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí)拉力最小,拉力變化的周期為1.0 s,故單擺的周期為2.0 s。2.0 (2)在多次改變擺線長度測量后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)作出周期與擺線長度的關(guān)系(T2-L)圖線,并根據(jù)圖線擬合得到方程T2=kL+b,由此可知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭= ,擺球半徑r= (用k、b、π表示)。解析: 根據(jù)T=2π得T2=l=L+r,知圖線的斜率k=,因此g=;而l=L+r,圖線擬合得到方程為T2=kL+b,因此擺球半徑r=。 創(chuàng)新分析1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新:由“用單擺測量重力加速度”創(chuàng)新為“探究單擺的周期與擺長的關(guān)系”,但實(shí)驗(yàn)原理不變。2. 實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新:使用拉力傳感器繪制拉力隨時(shí)間變化的F-t圖像。3. 數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新:由F-t圖線分析單擺的周期。(2024·吉林高考12題)圖a為一套半圓拱形七色彩虹積木示意圖,不同顏色的積木直徑不同。某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)探究這套積木小幅擺動(dòng)時(shí)周期T與外徑D之間的關(guān)系。(1)用刻度尺測量不同顏色積木的外徑D,其中對藍(lán)色積木的某次測量如圖b所示,從圖中讀出D= cm。7.54(7.53~7.55均可) 解析: 根據(jù)刻度尺的讀數(shù)規(guī)則可知D=7.54 cm。(2)將一塊積木靜置于硬質(zhì)水平桌面上,設(shè)置積木左端平衡位置的參考點(diǎn)O,將積木的右端按下后釋放,如圖c所示。當(dāng)積木左端某次與O點(diǎn)等高時(shí)記為第0次并開始計(jì)時(shí),第20次時(shí)停止計(jì)時(shí),這一過程中積木擺動(dòng)了 個(gè)周期。解析: 結(jié)合單擺的運(yùn)動(dòng)分析可知,積木左端與O點(diǎn)等高后,向下(向上)運(yùn)動(dòng)后再次與O點(diǎn)等高,之后向上(向下)運(yùn)動(dòng)后又一次與O點(diǎn)等高,此過程為一個(gè)周期,則題述過程中積木擺動(dòng)了10個(gè)周期。10 (3)換用其他積木重復(fù)上述操作,測得多組數(shù)據(jù)。為了探究T與D之間的函數(shù)關(guān)系,可用它們的自然對數(shù)作為橫、縱坐標(biāo)繪制圖像進(jìn)行研究,數(shù)據(jù)如下表所示:顏色 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫ln D 2.939 2 2.788 1 2.595 3 2.484 9 2.197 …… 1.792ln T -0.45 -0.53 -0.56 -0.65 -0.78 -0.92 -1.02根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制出ln T-ln D圖像如圖d所示,則T與D的近似關(guān)系為 。A A. T∝ B. T∝D2C. T∝ D. T∝解析: 根據(jù)題圖d有l(wèi)n T=kln D+b,其中k==,則有l(wèi)n T=ln D+b=ln +b,根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可得T與D的近似關(guān)系為T∝,A正確。(4)請寫出一條提高該實(shí)驗(yàn)精度的改進(jìn)措施: 。解析: 可以多次測量同一顏色的積木的周期求平均值,從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。多次測量同一顏色的積木的周期求平均值創(chuàng)新分析1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新:探究積木小幅擺動(dòng)周期T與外徑D之間的關(guān)系。2. 數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新:利用ln T-ln D圖像,確定T與D的關(guān)系。培養(yǎng)“思維”·重落實(shí)夯基 提能 升華1. (2025·江西鷹潭期末)科技文化節(jié)中,某興趣小組做了如下實(shí)驗(yàn)。利用單擺測量重力加速度,實(shí)驗(yàn)操作如下:12345(1)使用游標(biāo)卡尺測量實(shí)心鋼球的直徑,鋼球直徑為d;(2)將器材按圖甲方式連接,用刻度尺測量出懸點(diǎn)與鋼球最上端間細(xì)線長度為l,使鋼球按照圖乙方式運(yùn)動(dòng),擺角小于5°,鋼球第1次經(jīng)過最低點(diǎn)處開始計(jì)時(shí),第n次經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)的總時(shí)間為t,則重力加速度g= ;(用測得的物理量表示) 12345解析: 根據(jù)題意可知單擺的擺長為L=l+鋼球第1次經(jīng)過最低點(diǎn)處開始計(jì)時(shí),第n次經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)的總時(shí)間為t,則T=t由單擺的周期公式有T=2π聯(lián)立解得g=。12345(3)若鋼球?qū)嶋H按圖丙方式在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),但仍然視作單擺,則測算出的重力加速度值 (選填“偏大”或“偏小”);解析: 設(shè)繩與中心線的夾角為θ,由牛頓第二定律有mgtan θ=mLsin θ解得圓錐擺的周期為T1=2π<T故小球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)比單擺的周期短,在時(shí)間t內(nèi)完成周期性的次數(shù)n變多,因此測算出的重力加速度值偏大。偏大 12345(4)另一位同學(xué)直接用米尺和三角板測量了單擺的擺長,如圖丁,則單擺擺長是 m。解析: 米尺的最小分度為0.1 cm,讀數(shù)時(shí)需要估讀到下一位,則單擺擺長是90.00 cm=0.900 0 m。0.900 0 123452. (2025·天津河?xùn)|區(qū)模擬)某同學(xué)在學(xué)習(xí)完單擺的相關(guān)知識(shí)后,想要在家利用手邊的物品測量本地的重力加速度。用不規(guī)則的鑰匙扣代替小球做成簡易單擺裝置,手機(jī)上的計(jì)時(shí)功能代替秒表,實(shí)驗(yàn)過程如下:(1)用家中軟尺測得懸掛點(diǎn)O到鑰匙扣連接處M的長度為l;12345(2)拉開單擺較小角度后將鑰匙扣由靜止釋放,并在鑰匙扣第1次通過最低點(diǎn)按下計(jì)時(shí)“開始”按鈕,用手機(jī)記錄鑰匙扣發(fā)生N次全振動(dòng)的時(shí)間為t,則單擺的周期T為 ;解析: 鑰匙扣發(fā)生N次全振動(dòng)的時(shí)間為t,則單擺的周期T為T=。 12345(3)若該同學(xué)多次改變細(xì)線長度得到多組數(shù)據(jù),描點(diǎn)作出得到T2-l圖像,得到的圖像可能是圖中三條曲線的 (選填“a”“b”或“c”)曲線;解析: 令鑰匙扣的重心到鑰匙扣與細(xì)線連接處的間距為d,根據(jù)周期公式有T=2π變形得T2=l+可知,T2-l圖像與縱軸的截距為正值,即得到的圖像可能是題圖中三條曲線的c曲線。c 12345(4)鑰匙扣的形狀不規(guī)則,對上述實(shí)驗(yàn)測得的重力加速度 (選填“有”或者“無”)影響。解析: 結(jié)合上述與T2-l圖像,若圖像的斜率為k,則有=k解得g=可知,鑰匙扣的形狀不規(guī)則,對上述實(shí)驗(yàn)測得的重力加速度無影響。無 123453. (2025·江西撫州模擬)某同學(xué)利用單擺測量重力加速度。12345(1)該同學(xué)采用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置。①為比較準(zhǔn)確地測量出當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊臄?shù)值,除秒表外,在下列器材中,還應(yīng)該選用 。(用器材前的字母表示)a.長度為30 cm左右的細(xì)繩b.長度為1 m左右的細(xì)繩c.直徑為1.8 cm的鐵球d.直徑為1.6 cm的塑料球e.最小刻度為10 mm的米尺f.最小刻度為1 mm的米尺bcf ②用游標(biāo)卡尺測量小球直徑,示數(shù)如圖丙所示,讀數(shù)為 cm。1.86 12345解析: ①根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,為了控制角度,方便計(jì)算,擺長應(yīng)選長度接近1 m的細(xì)繩;為減小空氣阻力的影響,應(yīng)選用體積較小的實(shí)心金屬球,故選直徑為1.8 cm的鐵球;根據(jù)T=2π得g=,可知需要測量擺長,所以需要最小刻度為1 mm的米尺。故選b、c、f。②讀數(shù)為18 mm+6×0.1 mm=18.6 mm=1.86 cm。12345(2)①該同學(xué)測出單擺的擺長為l,不同擺長時(shí)對應(yīng)的單擺周期為T,利用圖像方法處理數(shù)據(jù),作T2-l圖時(shí)描點(diǎn)如圖丁。若他在圖上將各數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條直線,可以得到的當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹? m/s2(保留3位有效數(shù)字,π2=9.86)。9.86 12345②該同學(xué)在圖甲所示裝置的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)速度傳感器,如圖乙所示,將擺球拉開一小角度使其做簡諧運(yùn)動(dòng),速度傳感器記錄了擺球振動(dòng)過程中速度隨時(shí)間變化的關(guān)系,如圖戊所示的v-t圖線。估算小球能擺到的最大高度約為 m(保留1位有效數(shù)字)。0.05 解析:①根據(jù)T=2π得T2=l知圖線的斜率k== s2/m=4 s2/m解得g=9.86 m/s2。②由題圖戊可知,該單擺的最大速度v=100 cm/s=1 m/s根據(jù)機(jī)械能守恒定律有mgh=mv2解得小球能擺到的最大高度約為h=0.05 m。123454. (2025·八省聯(lián)考河南卷)學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組利用單擺測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?shí)驗(yàn)器材有:鐵架臺(tái)、細(xì)線、擺球、秒表、卷尺等。完成下列問題:(1)實(shí)驗(yàn)時(shí),將細(xì)線的一端連接擺球,另一端固定在鐵架臺(tái)上O點(diǎn),如圖1所示。然后將擺球拉離平衡位置,使細(xì)線與豎直方向成夾角θ(θ<5°),釋放擺球,讓單擺開始擺動(dòng)。為了減小計(jì)時(shí)誤差,應(yīng)該在擺球擺至 (填“最低點(diǎn)”或“最高點(diǎn)”)時(shí)開始計(jì)時(shí)。解析: 擺球經(jīng)過最低點(diǎn)的位置時(shí)速度最大,在相等的距離誤差上引起的時(shí)間誤差最小,測得周期誤差最小;所以為了減小測量周期的誤差,擺球應(yīng)選經(jīng)過最低點(diǎn)的位置時(shí)開始計(jì)時(shí)。最低點(diǎn) 12345(2)選取擺線長度為100.0 cm時(shí),測得擺球擺動(dòng)30個(gè)完整周期的時(shí)間(t)為60.60 s。若將擺線長度視為擺長,求得重力加速度大小為 m/s2。(取π2=9.870,結(jié)果保留3位有效數(shù)字)解析: 根據(jù)題意可知擺球擺動(dòng)的周期T==2.02 s根據(jù)單擺周期公式T=2π其中l(wèi)=100.0 cm=1.000 m代入數(shù)據(jù)可得g≈9.68 m/s2。9.68 12345(3)選取不同的擺線長度重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),相關(guān)數(shù)據(jù)匯總在下表中,在坐標(biāo)紙上作出擺線長度(l)和單擺周期的二次方(T2)的關(guān)系曲線,如圖2所示。l/m 0.800 0.900 1.000 1.100 1.200t/s 54.17 57.54 60.60 63.55 66.34T2/s2 3.26 3.68 4.08 4.49 4.89設(shè)直線斜率為k,則重力加速度可表示為g= (用k表示)。由圖2求得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮? m/s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。4π2k 9.69 12345解析: 根據(jù)單擺周期公式T=2π整理可得l=·T2可知l-T2圖線斜率k=則重力加速度可表示為g=4π2k由題圖2求得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=4π2× m/s2≈9.69 m/s2。12345(4)用圖像法得到的重力加速度數(shù)值要比(2)中得到的結(jié)果更精確,原因是 。答案: 見解析解析: 圖像法得到的重力加速度數(shù)值要比(2)中得到的結(jié)果更精確,其原因是用圖像法處理數(shù)據(jù)時(shí),無論是否考慮擺球的半徑,圖像斜率均為,對g的測量沒有影響。123455. (2025·遼寧葫蘆島模擬)智能手機(jī)中的“磁傳感器”功能可實(shí)時(shí)記錄手機(jī)附近磁場的變化,磁極越靠近手機(jī),磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,通過分析就可以得到物體位置隨時(shí)間變化的規(guī)律。某興趣小組用智能手機(jī)、磁化小球、支架等實(shí)驗(yàn)器材組裝成如圖甲所示的裝置來測量重力加速度。(1)按照如圖甲所示,讓小球做簡諧運(yùn)動(dòng),運(yùn)行手機(jī)“磁傳感器”功能,手機(jī)記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。記錄實(shí)驗(yàn)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況如圖乙所示,測得連續(xù)N個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值之間的時(shí)間間隔為t,則單擺周期T的測量值為 。 12345解析: 小球每次經(jīng)過最右端位置時(shí),距離手機(jī)最近,手機(jī)“磁傳感器”記錄的磁感應(yīng)強(qiáng)度就最大,可知相鄰兩次磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值之間的時(shí)間間隔為一個(gè)周期,則單擺周期T=。12345(2)用刻度尺測得擺線長度l,用螺旋測微器測量擺球直徑如圖丙所示,擺球直徑d= mm。則單擺的擺長L=l+。13.870 解析: 螺旋測微器測量擺球直徑d為13.5 mm+37.0×0.01 mm=13.870 mm。12345(3)改變擺線長度,測量出不同擺長L及對應(yīng)的周期T。作出T2-L圖像如圖丁所示,π取3.14。根據(jù)圖丁中數(shù)據(jù)可求得當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭= m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)9.86 解析: T=2πT2=·l+故斜率為k== s2/m=4 s2/m解得g≈9.86 m/s2。12345(4)請你寫出一條在該實(shí)驗(yàn)中影響結(jié)果的可能原因 。解析:存在空氣阻力、擺線有質(zhì)量、周期測量及長度測量存在誤差。存在空氣阻力(擺線有質(zhì)量、周期測量及長度測量存在誤差)12345THANKS演示完畢 感謝觀看 展開更多...... 收起↑ 資源列表 實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度 練習(xí)(含解析).docx 實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度.docx 實(shí)驗(yàn)九 用單擺測量重力加速度.pptx 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫