内容正文:
高考总复习 物理 人教版
实验九 用单摆测量重力加速度的大小
索引
考点1
考点2
随堂达标检测
实验知识储备
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第八章 机械振动 机械波
课程标准 1.知道利用单摆测量重力加速度的原理,掌握利用单摆测量重力加速度的方法。2.会对测量数据进行处理并进行误差分析。
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第八章 机械振动 机械波
01
实验知识储备
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第八章 机械振动 机械波
1.实验原理
当摆角较小时,单摆做简谐运动,其运动周期为T= ,由此得到g=,因此,只要测出摆长l和振动周期T,就可以求出当地的重力加速度g的值。
2.实验器材
铁架台、单摆、游标卡尺、毫米刻度尺、停表。
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第八章 机械振动 机械波
3.实验过程
(1)让细线的一端穿过金属小球的小孔,做成单摆。
(2)把细线的上端用铁夹固定在铁架台上,把铁架台放在实验桌边,使铁夹伸到桌面以外,让摆球自然下垂,在单摆平衡位置处做上标记,如图所示。
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第八章 机械振动 机械波
(3)用毫米刻度尺量出摆线长度l',用游标卡尺测出金属小球的直径,即得出金属小球半径r,计算出摆长l=l'+r。
(4)把单摆从平衡位置处拉开一个很小的角度(小于5°),然后放开金属小球,让金属小球摆动,待摆动平稳后测出单摆完成30~50次全振动所用的时间t,计算出单摆的振动周期T。
(5)根据单摆周期公式,计算当地的重力加速度。
(6)改变摆长,重做几次实验。
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第八章 机械振动 机械波
4.数据处理
(1)公式法:利用T=求出周期,算出三次测得的周期的平均值,然后利用公式g=求重力加速度。
(2)图像法:根据测出的一系列摆长l对应的周期T,作l-T2的图像,由单摆周期公式得l=T2,图像应是一条过原点的直线,如图所示,
求出图线的斜率k,即可利用g=4π2k求重力加速度。
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第八章 机械振动 机械波
5.误差分析
系统误差: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,摆动是圆锥摆还是在同一竖直平面内的摆动以及测量哪段长度作为摆长等。
偶然误差:本实验的偶然误差主要来自时间(即单摆周期)的测量上。为了减小偶然误差,应进行多次测量后取平均值。
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第八章 机械振动 机械波
6.减小误差的方法
(1)一般选用一米左右的细线。
(2)悬线顶端不能晃动,需用夹子夹住,保证悬点固定。
(3)应在小球自然下垂时用毫米刻度尺测量悬线长。
(4)单摆必须在同一平面内摆动,且摆角小于5°。
(5)选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时,并数准全振动的次数。
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第八章 机械振动 机械波
02
考点1 教材原型实验
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第八章 机械振动 机械波
“用单摆测定重力加速度”实验的典型细节
(1)固定:用夹子夹住,保证悬点固定。
(2)角度:单摆必须在同一竖直平面内振动,且偏角小于5°。
(3)计时点:选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时。
(4)摆长:小球自然下垂时,用毫米刻度尺量出悬线长l',用游标卡尺测量小球的直径d,然后算出小球的半径r,则摆长l=l'+r=l'+。
(5)单摆的周期和摆动的时间与次数之间的关系容易出错,若从摆球第一次经过平衡位置开始计时且计数为1,则有t=T。
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(6)公式:T=2π,与摆球质量及振幅无关。
(7)图像:作T2-l图像,通过斜率求g。
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第八章 机械振动 机械波
(2023·新课标卷)一学生小组做“用单摆测量重力加速度的大小”的实验。
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(1)用实验室提供的螺旋测微器测量摆球直径。首先,调节螺旋测微器,拧动微调旋钮使测微螺杆和测砧相触时,发现固定刻度的横线与可动刻度上的零刻度线未对齐,如图(a)所示,该示数为 mm;螺旋测微器在夹有摆球时示数如图(b)所示,该示数为__________________
mm,则摆球的直径为 mm。
(2)单摆实验的装置示意图如图(c)所示,其中角度盘需要固定在杆上的确定点O处,摆线在角度盘上所指的示数为摆角的大小。若将角度盘固定在O点上方,则摆线在角度盘上所指的示数为5°时,实际摆角 (选填“大于”或“小于”)5°。
0.008(0.007~0.009均可)
20.037(20.036~
20.038均可)
20.029(20.027~20.031均可)
大于
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第八章 机械振动 机械波
(3)某次实验所用单摆的摆线长度为81.50 cm,则摆长为 cm。实验中观测到从摆球第1次经过最低点到第61次经过最低点的时间间隔为54.60 s,则此单摆周期为 s,该小组测得的重力加速度大小为 m/s2。(结果均保留三位有效数字,π2取 9.870)
82.5
1.82
9.83
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第八章 机械振动 机械波
[解析] (1)题图(a)中,螺旋测微器固定刻度读数为0.0 mm,可动刻度部分读数为0.8×0.01 mm=0.008 mm,所以读数为0.008 mm;题图(b)中,螺旋测微器固定刻度读数为20.0 mm,可动刻度部分读数为3.7×0.01 mm=0.037 mm,所以读数为20.037 mm;摆球的直径d=20.037 mm-0.008 mm=20.029 mm。
(2)角度盘固定在O点时,摆线在角度盘上所指角度为摆角大小,若将角度盘固定在O点上方,由几何知识可知,摆线在角度盘上所指的示数为5°时,实际摆角大于5°。
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第八章 机械振动 机械波
(3)单摆的摆长L等于摆线长l与摆球半径之和,即L=l+≈82.5 cm;从摆球第1次经过最低点到第61次经过最低点,单摆完成30次全振动,故单摆的周期T= s=1.82 s;由单摆的周期公式T=2π可得g=,代入相关数据解得g≈9.83 m/s2。
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第八章 机械振动 机械波
(2026·湖北武汉期末)某高中学校一物理兴趣小组的几位同学,用一些器材测量某公园附近的重力加速度。为了便于携带,该组同学将一单摆固定于一深度为h(未测量)且开口向下的透明塑料杯顶端(单摆的下半部分露于筒外),如图甲所示。每次实验前,组内同学利用钢板尺测出杯子的下端口到小球悬点的距离L,并通过改变L而测出对应的摆动周期T。实验开始时,将悬线拉离平衡位置一个小角度
后由静止释放,且单摆在摆动过程中悬
线不会碰到杯壁,最后利用测得的数据,
以T2为纵轴、L为横轴作出函数关系图
像,那么就可以通过此图像求出小筒的
深度h和当地的重力加速度g。
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第八章 机械振动 机械波
(1)实验时用游标卡尺测得摆球直径d=12.0 mm。
(2)测量单摆的周期时,某同学在摆球某次通过最低点时按下停表开始计时,同时数1,当摆球第二次通过最低点时数2,依此往下数,当他数到60时,按下停表停止计时,读出这段时间t,则该单摆的周期为 。
A. B. C. D.
B
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第八章 机械振动 机械波
(3)实验中所得到的T2-L关系图线如图乙中的 (选填“a”“b”或“c”)所示,当地的重力加速度g= m/s2(π取3.14,此结果保留两位小数)。
(4)根据以上数据,结合得到的T2-L关系图线,可以求出透明塑料杯的深度h=
cm。
29.4
a
9.86
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第八章 机械振动 机械波
[解析] (2)从“1”数到“60”时经历了29.5个周期,所以该单摆的周期为T=。故选B。
(3)摆线在筒内部分的长度为h,故单摆的周期公式
T=2π
整理得T2=L+(h+)
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第八章 机械振动 机械波
可知其关系图线应为a;结合图像可知,斜率为
k== s2/m
解得当地的重力加速度为g≈9.86 m/s2。
(4)根据T2=L+(h+)
可得(h+)=1.20
联立可得透明塑料杯的深度h=29.4 cm。
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第八章 机械振动 机械波
03
考点2 拓展创新实验
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第八章 机械振动 机械波
对实验题的创新一般基于以下几个方面:
(1)基本思路创新在于实际实验的可操作性问题与理论知识的距离。比如摆长的测定、周期的测定和记录,理论上可以理解,但在操作上具有可控性。
(2)对于理论理解的拓展与实际应用中的融合,也是本实验的热点和能力体现,比如,如果不在实验室(摆长不在1 m左右),而摆长是几十米长的绳子挂在高高的树上,离地面有50 cm。我们只有一把米尺和秒表,如何测定当地重力加速度问题,考查学生的拓展能力。
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第八章 机械振动 机械波
(3)现代器材的应用。如传感器、0.001 s的计时器、光电门计时器等现代信息和器材的大量使用,考查学生的实际应用能力和现代实验器材的使用能力。
(4)其他知识应用。
思维突破:在基础知识和能力具备的情况下,注意思维的拓展和灵活应用。并同时根据题目的具体条件和相关规律去拓展思考,基于实际情况和规律去解决问题,或者应用数学的相关知识去推理出相关二级结论,或者充分利用现代信息工具得出相关结论,则更能体现学生应用能力的提升。符合高考的基本要求和精神,实现分数突破。
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第八章 机械振动 机械波
(2024·湖北卷)某同学设计了一个测量重力加速度大小g的实验方案,所用器材有:2 g砝码若干、托盘1个、轻质弹簧1根、米尺1把、光电门1个、数字计时器1台等。
具体步骤如下:
①将弹簧竖直悬挂在固定支架上,弹簧下面挂上装有遮光片的托盘,在托盘内放入一个砝码,如图(a)所示;
②用米尺测量平衡时弹簧的长度l,并安装光电门;
③将弹簧在弹性限度内拉伸一定长度后释放,使其在竖直方向振动;
④用数字计时器记录30次全振动所用时间t;
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第八章 机械振动 机械波
⑤逐次增加托盘内砝码的数量,重复②③④的操作。
该同学将振动系统理想化为弹簧振子。已知弹簧振子的振动周期T=2π,其中k为弹簧的劲度系数,M为振子的质量。
(1)由步骤④,可知振动周期T= 。
(2)设弹簧的原长为l0,则l与g、l0、T的关系式为l= 。
l0+
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第八章 机械振动 机械波
(3)由实验数据作出的l-T2图线如图(b)所示,可得g= m/s2(保留三位有效数字,π2取9.87)。
9.48
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第八章 机械振动 机械波
(4)本实验的误差来源包括 。
A.空气阻力 B.弹簧质量不为零
C.光电门的位置稍微偏离托盘的平衡位置
AB
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第八章 机械振动 机械波
[解析] (1)30次全振动所用时间为t,则振动周期T=。
(2)弹簧振子的振动周期T=2π,可得振子的质量M=,振子平衡时,根据平衡条件Mg=kΔl可得Δl=,则l与g、l0、T的关系式为l=l0+Δl=l0+。
(3)根据l=l0+整理可得l=l0+·T2则l-T2 图像斜率大小为k==,解得g≈9.48 m/s2。
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第八章 机械振动 机械波
(4)空气阻力的存在会影响弹簧振子的振动周期,是实验的误差来源之一,故A正确;根据弹簧振子周期公式可知,振子的质量影响振子的周期,通过光电门测量出的周期T为振子考虑弹簧质量的真实周期,而根据(3)问求出的l-T2的关系是不考虑弹簧质量的关系式子,二者中的T是不相等的,所以弹簧质量不为零是误差来源之一,故B正确;利用光电门与数字计时器的组合测量周期的原理:根据简谐运动的规律可知,只要从开始计时起,振子的速度第二次与开始计时的速度相等即为一个周期,与是否在平衡位置无关,故C错误。
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第八章 机械振动 机械波
(2026·山西大同模拟)某同学用双线摆测当地的重力加速度,装置如图所示。用长为L的不可伸长的细线穿过球上过球心的V形小孔,细线两端固定在水平杆上的A、B两点。球的直径远小于细线的长度。
(1)使小球在垂直于AB的竖直平面内做小幅度摆
动,小球经过最低点时开始计时并记为1,第n次经
过最低点时停止计时,总时长为t,则该双线摆的周
期T= 。
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第八章 机械振动 机械波
(2)改变细线的长度,细线的两端分别固定在A、B两点不变,多次重复实验,记录每次细线的长L及相应的周期T,若A、B间距离为d,则等效摆长
为 ,为了能直观地看出物理量之间的关系,根据测得的多组L、T,应作出 图像。
A.T2-L B.T2-L2
C.T4-L D.T4-L2
(3)若作出的图像为直线且斜率为k,则可求得当地的重力加速度
g= 。
D
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第八章 机械振动 机械波
[解析] (1)根据题意有(n-1)=t
解得T=。
(2)根据几何关系,可得等效摆长l= =
根据T=2π
解得T4=L2-
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第八章 机械振动 机械波
可见,T4和L2是线性关系,因此为了能直观地看出物理量之间关系,根据测得的多组L、T数据,应作出T4-L2的图像。故选D。
(3)若图像的斜率为k,则有=k
解得g=。
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第八章 机械振动 机械波
04
随堂达标检测
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第八章 机械振动 机械波
(2025·海南卷)小组用如图所示单摆测量当地重力加速度
(1)用游标卡尺测得小球直径d=20 mm,刻度尺测得摆线长l=79 cm,则单摆摆长L= cm(保留四位有效数字)。
80.00
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第八章 机械振动 机械波
(2)拉动小球,使摆线伸直且与竖直方向的夹角为θ(θ<5°),无初速度的释放小球,小球经过 (选填“最高”或“最低”)点时,开始计时,记录小球做了30次全振动用时t=54.00 s,则单摆周期T= s,由此可得当地重力加速度g= m/s2(π2≈10)。
9.88
最低
1.8
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第八章 机械振动 机械波
解析:(1)单摆的摆长为L=l+=80.00 cm。
(2)为减小实验计时误差,需小球经过最低点时开始计时;
单摆周期T== s=1.8 s
根据单摆周期公式T=2π
可得g=
代入数值得g=9.88 m/s2。
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第八章 机械振动 机械波
2.(2023·河北卷)某实验小组利用图甲所示装置测量重力加速度。摆线上端固定在O点,下端悬挂一小钢球,通过光电门传感器采集摆动周期。
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第八章 机械振动 机械波
(1)关于本实验,下列说法正确的是 。
A.小钢球摆动平面应与光电门U形平面垂直
B.应在小钢球自然下垂时测量摆线长度
C.小钢球可以换成较轻的橡胶球
D.应无初速度、小摆角释放小钢球
(2)组装好装置,用毫米刻度尺测量摆线长度
L,用螺旋测微器测量小钢球直径d。螺旋测
微器示数如图乙所示,小钢球直径d=
____________________________mm,记摆长l=L+。
ABD
20.035(20.034~20.036均可)
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第八章 机械振动 机械波
(3)多次改变摆线长度,在小摆角下测得不同摆长l对应的小钢球摆动周期T,并作出l-T2图像,如图丙所示。
根据图线斜率可计算重力加速度g= m/s2(保留三位有效数字,π2取9.87)。
(4)若将摆线长度误认为摆长,仍用上述图像法处理数据,得到的重力加速度值将 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
不变
9.87
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第八章 机械振动 机械波
解析:(1)使用光电门测量时,光电门U形平面与被测物体经过光电门时的运动方向垂直是光电门使用的基本要求,A正确;测量摆线长度时,要保证摆线处于伸直状态,B正确;单摆是一个理想化模型,若采用质量较轻的橡胶球,空气阻力对摆球运动的影响较大,C错误;无初速度、小摆角释放的目的是保持摆球在竖直平面内运动,不形成圆锥摆,且单摆只有在摆角很小的情况下才可视为做简谐运动,使用T=2π 计算单摆的周期,D正确。
(2)小钢球直径d=20 mm+3.5×0.01 mm=20.035 mm。
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第八章 机械振动 机械波
(3)由单摆周期公式T=2π ,整理得l=T2,由题图丙知图线的斜率k== m/s2,解得g=9.87 m/s2。
(4)若将摆线长度L误认为摆长l,则有T=2π ,即得到的图线函数表达式为L=T2-,仍用上述图像法处理数据,图线斜率不变,仍为,故得到的重力加速度值不变。
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第八章 机械振动 机械波
3.利用探究单摆摆长和周期关系的实验来测定当地的重力加速度。
(1)如图所示,给出了细线上端的两种不同的悬挂方式,你认为选用______ (选填“甲”或“乙”)方式较好。
乙
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第八章 机械振动 机械波
(2)小明同学用刻度尺测量摆线长度当作单摆的摆长,并测出多组数据,作出T2-L图像,那么小明作出的图像应为图中的 ,再利用图像法求出的重力加速度 (选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
等于
A
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第八章 机械振动 机械波
解析:(1)乙的悬挂方式较好,夹子夹住细线,可以保证实验过程中,单摆的摆长保持不变。
(2)用刻度尺测量摆线长度当作单摆的摆长,则测量值比真实值少一个摆球的半径,在图像中会出现,“摆长”取零,单摆存在周期的情况,故小明绘出的图像应为图中的A。根据单摆的周期公式,有T2=(L+R),虽然测量摆长少加了半径,但是自变量L前面的系数,即斜率k=不变,故求出的重力加速度与真实值相等。
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第八章 机械振动 机械波
4.滑板运动场地有一种常见的圆弧形轨道,其截面如图所示,某同学用一辆滑板车和手机估测轨道半径R(滑板车的长度远小于轨道半径)。主要实验过程如下:
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第八章 机械振动 机械波
(1)用手机查得当地的重力加速度为g。
(2)找出轨道的最低点O,把滑板车从O点移开一小段距离至P点,由静止释放,用手机测出它完成n次全振动的时间 t,算出滑板车做往复运动的周期
T= 。
(3)将滑板车的运动视为简谐运动,则可将以上测量结果代入R= (用T、g表示)中计算出轨道半径。
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第八章 机械振动 机械波
解析:(2)滑板车做往复运动的周期T=。
(3)根据单摆的周期公式有T=2π,得R=。
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第八章 机械振动 机械波
5.(2026·河北模拟)某同学用单摆实验测重力加速度。他在家里找到了一块外形不规则的小金属挂件,在实验室找到了一个力传感器,将它固定在O点,并将长度为l的细线一端固定在力传感器上,另一端连接小金属挂件,制成了如图甲所示的单摆。
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第八章 机械振动 机械波
(1)该同学将挂件拉离平衡位置一个角度α(α<5°),由静止释放后,通过与传感器连接的电脑得到了力传感器的示数与时间的关系,如图乙所示,则此时单摆的周期T= (用题目中符号表示),若该同学用T=2π,求得g=,则该测量结果 (选填“偏大”或“偏小”)。
偏小
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(2)后来查资料得知,该单摆的实际摆长应该是摆件质心到悬点的距离,该同学用(1)的方法分别在细线长为l1和l2时做了两次实验,测得单摆两次振
动的周期分别为T1和T2,则重力加速度g= ,摆件质心到N点
的距离d= 。
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第八章 机械振动 机械波
(3)为减小实验的偶然误差,该同学多次改变细线的长度,用第(1)问的方法测得多组细线长度l和单摆对应的周期T,以T2为横坐标,l为纵坐标,将得到
的数据描点连线后得到如图丙所示的图像,则重力加速度g= ,摆件质心到N点的距离d= (用题目、图中的数据和字母表示)。
b
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第八章 机械振动 机械波
解析:(1)当挂件处于最高点时,力传感器的示数最小,挂件处于最低点时,力传感器的示数最大,由题图乙可知t2-t1=5T+T
解得周期为T=
若该同学用T=2π ,求得g=,由于l为细线的长度,可知代入的摆长偏小,使得重力加速度测量值偏小。
(2)根据单摆周期公式可得T1=2π ,T2=2π
联立解得重力加速度为g=
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第八章 机械振动 机械波
摆件质心到N点的距离为d=。
(3)根据单摆周期公式可得T=2π
整理可得l=T2-d
可知l-T2图像的斜率为k==
解得重力加速度为g=
由l-T2图像的纵轴截距可得-b=-d
可得摆件质心到N点的距离为d=b。
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第八章 机械振动 机械波
6.(2026·湖南岳阳质检)有两个同学利用假期分别去参观位于北京和广州的物理实验室,各自探究了单摆的周期T与摆长L的关系。
(1)单摆振动的回复力是 。
A.摆球所受的重力
B.摆球所受重力在垂直于摆线方向上的分力
C.摆线对摆球的拉力
D.摆球所受重力和摆线对摆球拉力的合力
B
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(2)用游标卡尺测量小球直径D如图甲所示,其读数为 mm。
10.60
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第八章 机械振动 机械波
(3)两位同学测量出A、B两个单摆的多组周期T、摆长L的数值后,用计算机绘制了A、B的T2-L图像如图乙所示,并绘制了A、B两个单摆的某次振动图像(如图丙所示),由此可知,两单摆摆长之比= 。
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第八章 机械振动 机械波
解析:(1)摆球所做运动为圆周运动的一部分,对摆球受力分析可知,重力沿摆线方向的分力与摆线对摆球的拉力的合力为摆球做圆周运动提供向心力,重力垂直于摆线方向的分力为单摆的回复力,故B正确,A、C、D错误。
(2)由题图甲可知,游标尺分度值为0.05 mm,主尺读数为10 mm,游标尺第12刻线与主尺刻线对齐,所以游标卡尺读数为10 mm+12×0.05 mm=10.60 mm。
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第八章 机械振动 机械波
(3)根据单摆周期公式T=2π ,可得T2=L=kL,由单摆的T2-L图像可知,A、B两个单摆所对应直线的斜率之比=,由单摆的振动图像可知,A、B两个单摆的振动周期相等,所以有==。
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第八章 机械振动 机械波
7.(2026·山东菏泽调研)在探究单摆运动的实验中:
(1)图(a)是用力传感器对单摆运动过程进行测量的装置图,图(b)是与力传感器连接的计算机屏幕所显示的F-t图像,根据图(b)的信息可得,从t=0时刻开始摆球第一次摆到最低点的时刻为 ,摆长为 m(取π2=10,重力加速度大小g=10 m/s2 )。
0.5 s
0.64
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第八章 机械振动 机械波
(2)某同学的操作步骤如下,其中正确的是 。
A.取一根细线,下端系住直径为d的金属小球,上端固定在铁架台上
B.用米尺量得细线长度l,即摆长为l
C.在摆线偏离竖直方向5°位置由静止释放小球
D.让小球在水平面内做圆周运动,测得周期,再根据公式计算重力加速度
AC
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第八章 机械振动 机械波
解析:(1)摆球摆到最低点时力传感器显示的力最大,根据题图(b)的信息可得,所对应的时刻为t=0.5 s。根据题图(b)的信息可得,单摆周期T=1.6 s,由单摆周期公式T=2π ,解得摆长为l=0.64 m。
(2)测得摆长应为l+,B错误;若让小球在水平面内做圆周运动,则为圆锥摆运动,测得的摆动周期不是单摆的周期,D错误,A、C说法正确。
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第八章 机械振动 机械波
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