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- 2021-05-28 发布
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11.4 单 摆
[目标定位] 1.理解单摆模型和单摆做简谐运动的条件,知道单摆振动时回复力的来源.2.了解影响单摆周期的因素,掌握单摆的周期公式.3.掌握用单摆测定重力加速度的原理和方法.
一、单摆的回复力
[问题设计]
一阵风吹过,大厅里的吊灯,微微摆动起来,久久不停……(模型如图1),试着用所学知识证明吊灯的往复运动是简谐运动.
图1
[要点提炼]
1.单摆
(1)如果细线的 与小球相比可以忽略,线长又比球的 大得多,这样的装置叫做单摆.单摆是实际摆的 模型.
(2)单摆的平衡位置:摆球 时所在的位置.
2.单摆的回复力
(1)回复力的提供:摆球的重力沿 方向的分力(沿半径方向的合力提供向心力).
(2)回复力的大小:在偏角很小时,F=-x.
3.单摆的运动特点
在偏角很小时做简谐运动,其振动图象遵循 函数规律.
二、单摆的周期
[问题设计]
如图2所示,两个单摆同时释放,我们可以观察到振动的周期不同.影响周期的因素可能有单摆的振幅、质量、摆长,采用什么方法确定周期与这些量的关系?
图2
[要点提炼]
1.伽利略发现了单摆运动的 , 得出了单摆的周期公式并发明了摆钟.
2.单摆的周期
(1)单摆的周期T=2π,只与摆长l及单摆所在处的重力加速度有关,与振幅及摆球的质量无关(填“有关”或“无关”).单摆的周期叫固有周期.
(2)单摆的周期公式在单摆偏角 时成立(偏角为5°时,由周期公式算出的周期和精确值相差0.01%).
(3)单摆周期公式中的g应为单摆所在处的重力加速度,l应为单摆的摆长.摆长是指从 到摆球重心的长度,l=l′+,l′为摆线长,d为摆球直径.
3.计算单摆的周期有两种方法,一是依据T=2π,二是根据T=.第一种方法利用了单摆的周期公式,计算的关键是正确确定摆长.第二种方法利用了粗测周期的一种方法,周期的大小虽然不取决于t和N,但利用该种方法计算周期,会受到时间t和振动次数N测量的准确性的影响.
三、实验:用单摆测定重力加速度
1.原理:由T=2π得g=.所以,只要测出单摆的 和 ,就可计算出当地的重力加速度.
2.器材:铁架台及铁夹,金属小球(有孔)、停表、细线(1 m左右)、刻度尺、 .
3.实验步骤
(1)让细线穿过球上的小孔,在细线的穿出端打一个稍大一些的线结,制成一个单摆.
(2)将铁夹固定在铁架台上端,铁架台放在实验桌边,使铁夹伸出桌面之外,然后把单摆上端固定在铁夹上,使摆球自由下垂.在单摆平衡位置处做上标记.
(3)用刻度尺量出悬线长l′(准确到mm),用游标卡尺测出摆球的直径d(准确到mm),然后计算出悬点到球心的距离l=l′+即为摆长.
(4)把此单摆从平衡位置拉开一个角度,并使这个角度不大于5°,再释放小球.当摆球摆动稳定以后,经过最低位置时,用停表开始计时,测量单摆全振动30次(或50次)的时间,求出 ,即单摆的振动周期.
(5)改变摆长,反复测量几次,将数据填入表格.
4.数据处理
方法一:将每次测出的周期T及测得的摆长l代入公式g=,求出重力加速度的值,然后求g的平均值.
方法二:先通过简单的数据分析,对周期T与摆长l的定量关系做出猜测,例如可能是T∝l、T∝l2、T∝、T∝……然后按照猜测来确定纵坐标轴和横坐标轴,例如可以用纵坐标表示T,横坐标表示l2,作出T-l2图象,看T-l2图象是否为直线,从而确定T与l2的关系,再尝试根据图象求出g.
5.注意事项
(1)选择材料时应选择细而不易伸长的线,比如用单根尼龙丝、丝线等,长度一般不应短于1 m,小球应选用密度较大的金属球,直径应较小,最好不超过2 cm.
(2)摆动时控制摆线偏离竖直方向的角度应 .
(3)摆球摆动时,要使之保持在同一 ,不要形成圆锥摆.
(4)计算单摆的振动次数时,应从摆球通过 时开始计时,以后摆球从同一方向通过 时计数,要测多次(如30次或50次)全振动的时间,用取平均值的办法求周期.
一、单摆的回复力
例1 下列关于单摆的说法,正确的是( )
A.单摆摆球从平衡位置运动到正向最大位移处时的位移为A(A为振幅),从正向最大位移处运动到平衡位置时的位移为-A
B.单摆摆球的回复力等于摆球所受的合外力
C.单摆摆球的回复力是摆球重力沿圆弧切线方向的分力
D.单摆摆球经过平衡位置时加速度为零
二、单摆的周期
例2 如图3所示,一摆长为l的单摆,在悬点的正下方的P处固定一光滑钉子,P与悬点相距l-l′,则这个摆做小幅度摆动时的周期为( )
图3
A.2π B.2π
C.π(+) D.2π
例3 如图4所示是两个单摆的振动图象.
图4
(1)甲、乙两个摆的摆长之比是多少?
(2)以向右的方向作为摆球偏离平衡位置的位移的正方向,从t=0起,乙第一次到达右方最大位移处时,甲振动到了什么位置?向什么方向运动?
三、用单摆测定重力加速度
例4 在做“用单摆测定重力加速度”的实验时,用摆长L和周期T计算重力加速度的公式是g=________.若已知摆球直径为2.00 cm,让刻度尺的零点对准摆线的悬点,摆线竖直下垂,如图5甲所示,则单摆摆长是________m.若测定了40次全振动的时间如图乙中秒表所示,则秒表读数是________s,单摆摆动周期是________.
图5
为了提高测量精度,需多次改变L值,并测得相应的T值.现将测得的六组数据标示在以L为横坐标、以T2为纵坐标的坐标系上,即图6中用“·”表示的点,则:
图6
(1)单摆做简谐运动应满足的条件是________.
(2)试根据图中给出的数据点作出T2和L的关系图线,根据图线可求出g=________m/s2.(结果取两位有效数字)
1.(单摆的回复力)单摆振动的回复力是( )
A.摆球所受的重力
B.摆球重力在垂直悬线方向上的分力
C.悬线对摆球的拉力
D.摆球所受重力和悬线对摆球拉力的合力
2.(单摆的周期)单摆原来的周期为T,下列哪种情况会使单摆周期发生变化( )
A.摆长减为原来的 B.摆球的质量减为原来的
C.振幅减为原来的 D.重力加速度减为原来的
3.(单摆周期公式的应用)已知单摆a完成10次全振动的时间内,单摆b完成6次全振动,两摆长之差为1.6 m,则两单摆长la与lb分别为( )
A.la=2.5 m,lb=0.9 m B.la=0.9 m,lb=2.5 m
C.la=2.4 m,lb=4.0 m D.la=4.0 m,lb=2.4 m
题组一 单摆及其回复力
1.单摆是为研究振动而抽象出的理想化模型,其理想化条件是( )
A.摆线质量不计
B.摆线长度不可伸缩
C.摆球的直径比摆线长度短得多
D.只要是单摆的运动就是一种简谐运动
2.关于单摆,下列说法中正确的是( )
A.单摆摆球所受的合力指向平衡位置
B.摆球经过平衡位置时加速度为零
C.摆球运动到平衡位置时,所受回复力等于零
D.摆角很小时,摆球所受合力的大小跟摆球相对平衡位置的位移大小成正比
3.关于单摆的运动,下列说法正确的是( )
①单摆的回复力是摆线的拉力与重力的合力
②单摆的回复力是重力沿摆球运动轨迹切向的分力
③单摆的周期与摆球质量无关,与振幅无关,与摆长和当地的重力加速度有关
④单摆做简谐运动的条件是摆角很小(不大于5°)
⑤在山脚下走时准确的摆钟移到高山上走时将变快
A.①③④ B.②③④
C.③④⑤ D.①④⑤
题组二 单摆周期的理解和应用
4.下列说法正确的是( )
A.单摆的等时性是惠更斯首先发现的
B.单摆的等时性是伽利略首先发现的
C.惠更斯首先将单摆的等时性用于计时
D.伽利略首先发现了单摆的等时性,并把它用于计时
答案 BC
5.将秒摆(周期为2 s)的周期变为1 s,下列措施可行的是( )
A.将摆球的质量减半 B.将振幅减半
C.将摆长减半 D.将摆长减为原来的
6.如图1所示,光滑轨道的半径为2 m,C点为圆心正下方的点,A、B两点与C点相距分别为6 cm与2 cm,a、b两小球分别从A、B两点由静止同时释放,则两小球相碰的位置是( )
图1
A.C点 B.C点右侧
C.C点左侧 D.不能确定
7.图2为甲、乙两单摆的振动图象,则( )
图2
A.若甲、乙两单摆在同一地点摆动,则甲、乙两单摆的摆长之比为l甲∶l乙=2∶1
B.若甲、乙两单摆在同一地点摆动,则甲、乙两单摆的摆长之比为l甲∶l乙=4∶1
C.若甲、乙两摆摆长相同,且在不同的星球上摆动,则甲、乙两摆所在星球的重力加速度之比为g甲∶g乙=4∶1
D.若甲、乙两摆摆长相同,且在不同的星球上摆动,则甲、乙两摆所在星球的重力加速度之比为g甲∶g乙=1∶4
8.如图3所示为同一地点的两单摆甲、乙的振动图象,下列说法中正确的是( )
图3
A.甲、乙两单摆的摆长相等
B.甲单摆的振幅比乙的大
C.甲单摆的机械能比乙的大
D.在t=0.5 s时有正向最大加速度的是乙单摆
9.如图4所示为一单摆及其振动图象,由图回答:
图4
(1)单摆的振幅为__________,频率为__________,摆长约为________(保留一位有效数字);图中所示周期内位移x最大的时刻为______.
(2)若从E指向G为正方向,α为最大摆角,则图象中A、B、C点分别对应单摆图中的______点.一个周期内加速度为正且减小,并与速度同方向的时间范围是________.势能增加且速度为正的时间范围是__________.
题组三 用单摆测重力加速度
10.某实验小组在利用单摆测定当地重力加速度的实验中:
(1)用游标卡尺测定摆球的直径,测量结果如图5所示,则该摆球的直径为________cm.
图5
(2)小组成员在实验过程中有如下说法,其中正确的是________.
A.把单摆从平衡位置拉开30°的摆角,并在释放摆球的同时开始计时
B.测量摆球通过最低点100次的时间t,则单摆周期为
C.用悬线的长度加摆球的直径作为摆长,代入单摆周期公式计算得到的重力加速度值偏大
D.选择密度较小的摆球,测得的重力加速度值误差较小
11.在“用单摆测定重力加速度”的实验中,由单摆做简谐运动的周期公式得到g=.只要测出多组单摆的摆长l和运动周期T,作出T2-l图象,就可以求出当地的重力加速度.理论上T2-l图象是一条过坐标原点的直线,某同学根据实验数据作出的图象如图6所示.
图6
(1)造成图象不过坐标原点的原因可能是________.
(2)由图象求出的重力加速度g=________m/s2.(取π2=9.87)
12.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l-T2图线,然后在图线上选取A、B两个点,坐标如图7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”).
图7
13.(1)在用单摆测定重力加速度的实验中,应选用的器材有________.
A.1 m长的细线 B.1 m长的粗线
C.10 cm长的细线 D.泡沫塑料小球
E.小铁球 F.秒刻度秒表 G.时钟 H.厘米刻度尺
I.毫米刻度尺
(2)在该实验中,单摆的摆角θ应________,从摆球经过________开始计时,测出n次全振动的时间为t,用毫米刻度尺测出摆线长为L,用游标卡尺测出摆球的直径为d.用上述物理量的符号写出测定重力加速度的一般表达式为g=________.
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