第2章 第5节 实验：用单摆测量重力加速度（Word教参）-【优化指导】2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

第5节　实验：用单摆测量重力加速度 核心素养 科学思维 科学探究 科学态度与责任 1.掌握用单摆测量重力加速度的原理和方法。 2．掌握用图像法处理实验数据的思维方式和具体方法。 能分析相关事实，提出并准确表述在实验中可能出现的物理问题；能在他人帮助下制订实验方案，并选用适当的实验器材进行实验，获取实验数据，采用适当方法减小实验误差；能分析实验数据并测得重力加速度的大小；能撰写规范的实验报告，并在报告中呈现设计的实验表格、数据分析过程及实验结论；学会反思评估，理解重力加速度的不同测量方法，注意提升实验测量能力与误差分析能力。 通过比较重力加速度的不同测量方法，明白物理实验方法是多元的，是可以创新的；学会在合作中尊重他人，并能够坚持原则。 [对应学生用书P53] 1．实验目的 (1)用单摆测量重力加速度。 (2)会使用秒表测量时间。 (3)能分析实验误差的来源，并采用适当方法减小测量误差。 2．实验原理 单摆在偏角很小(小于5°)时，可看成简谐运动，其周期T＝2π，可得g＝。据此，通过实验测出摆长l和周期T，即可计算得到当地的重力加速度。 3．实验器材 铁架台及铁夹、金属小球(上面有一个通过球心的小孔)、秒表、不易伸长的细线(长1 m左右)、刻度尺(最小刻度为mm)、游标卡尺。 4．实验步骤 (1)取长约1 m的细线，细线的一端连接小球，另一端用铁夹固定在铁架台上，让摆球自由下垂，如图所示。 (2)用刻度尺测摆线长度l线，用游标卡尺测小球的直径d。测量多次，取平均值，计算摆长l＝l线＋。 (3)将小球从平衡位置拉至一个偏角小于5°的位置并由静止释放，使其在竖直面内振动。待振动稳定后，从小球经过平衡位置时开始用秒表计时，测量N次全振动的时间t，则周期T＝。如此重复测量多次，取平均值。 (4)改变摆长，重复实验多次。 (5)将每次实验得到的l、T代入g＝计算重力加速度，取平均值，即为测得的当地重力加速度。 5．数据处理 (1)平均值法：每改变一次摆长，将相应的l和T代入公式g＝中求出g值，最后求出g的平均值。可用如表所示的实验表格。 实验 次数 摆长 l/m 周期 T/s 加速度 g/(m·s－2) g的平均值/ (m·s－2) 1 g＝ 2 3 (2)图像法：由T＝2π得T2＝l，作出T2l图像，即以T2为纵轴，以l为横轴，其斜率k＝。由图像的斜率即可求出重力加速度g。 6．误差分析 (1)本实验的系统误差主要来源于单摆模型本身是否符合要求，即悬点是否固定；球、线是否符合要求；振动是圆锥摆还是同一竖直平面内的振动以及测量哪段长度作为摆长等等。 (2)本实验的偶然误差主要来自时间(即单摆周期)的测量。要从摆球通过平衡位置开始计时，并采用倒数计时计数的方法，不能多记或漏记振动次数。为了减小偶然误差，应该进行多次测量后取平均值。 7．注意事项 (1)选择材料时应选择细且不易伸长的线，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，直径最好不超过2 cm。 (2)单摆悬线的上端不可随意卷在铁夹的杆上，应夹紧在铁夹中，以免摆动时摆线下滑、摆长改变。 (3)注意摆动时控制摆线偏离竖直方向不超过5°。 (4)摆球摆动时，要使之保持在同一个竖直平面内，不要形成圆锥摆。 (5)计算单摆的振动次数时，应以摆球通过最低点时开始计时，以后摆球应从同一方向通过最低点时计数，要多测几次全振动的时间，用取平均值的办法求周期。 1．实验时，应尽量选择质量大、体积小的摆球。(　　√　　) 2．测量单摆周期时，应选择在位移最大处开始计时。(　　×　　) 3．当单摆经过平衡位置时开始计时，经过一次全振动后停止计时，用此时间间隔作为单摆振动的周期。(　　×　　) [对应学生用书P54] 探究点一　实验原理与实验步骤　(科学探究之结论) 实验小组的同学用如图所示的装置做“用单摆测量重力加速度”的实验。 (1)实验室有如下器材可供选用： A．长约1 m的细线 B．长约1 m的橡皮绳 C．直径约2 cm的铁球 D．直径约2 cm的塑料球 E．米尺 F．时钟 G．停表 实验时需要用到的器材有：________(填写器材前面的字母)。 (2)在挑选合适的器材制成单摆后他们开始实验，操作步骤如下： ①将单摆上端固定在铁架台上。 ②测得摆线长度，作为单摆的摆长。 ③在偏角较小的位置将小球由静止释放。 ④记录小球完成n次全振动所用的总时间t，得到单摆的振动周期T＝。 ⑤根据单摆的周期公式计算重力加速度的大小。 以上操作步骤中有一处不妥当，是________(填写操作步骤前面的序号)。 (3)发现(2)中操作步骤的不妥之处后，他们做了如下改进：让单摆在不同摆线长度的情况下做简谐