高中物理模块十二机械振动与机械波考点3实验探究单摆周期与摆长的关系试题.docx

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高中物理模块十二机械振动与机械波考点3实验探究单摆周期与摆长的关系试题

考点3实验探究单摆周期与摆长的关系

基本实验要求

1.实验原理

当偏角很小时，单摆做简谐运动，其运动周期为T＝2π

，它与偏角的大小及摆球的质量无关，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

带有铁夹的铁架台、中心有小孔的金属小球、不易伸长的细线（约1m）、秒表、毫米刻度尺和游标卡尺.

3.实验步骤

（1）让细线的一端穿过金属小球的小孔，然后打一个比小孔大一些的线结，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，在单摆平衡位置处作上标记，如实验原理图所示.

（3）用毫米刻度尺量出摆线长度l′，用游标卡尺测出摆球的直径，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（不超过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，计算出金属小球完成一次全振动所用时间，这个时间就是单摆的振动周期，即T＝

（N为全振动的次数），反复测3次，再算出周期的平均值

＝

.

（5）根据单摆周期公式T＝2π

计算当地的重力加速度g＝

.

（6）改变摆长，重做几次实验，计算出每次实验的重力加速度值，求出它们的平均值，该平均值即为当地的重力加速度值.

（7）将测得的重力加速度值与当地的重力加速度值相比较，分析产生误差的可能原因.

4.注意事项

（1）构成单摆的条件：

细线的质量要小、弹性要小，选用体积小、密度大的小球，摆角不超过5°.

（2）要使摆球在同一竖直面内摆动，不能形成圆锥摆，方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放.

（3）测周期的方法：

①要从摆球过平衡位置时开始计时.因为此处速度大、计时误差小，而最高点速度小、计时误差大.

②要测多次全振动的时间来计算周期.如在摆球过平衡位置时开始计时，且在数“零”的同时按下秒表，以后每当摆球从同一方向通过平衡位置时计数1次.

（4）本实验可以采用图象法来处理数据.即用纵轴表示摆长l，用横轴表示T2，将实验所得数据在坐标平面上标出，应该得到一条倾斜直线，直线的斜率k＝

.这是在众多的实验中经常采用的科学处理数据的重要办法.

5.数据处理

处理数据有两种方法：

（1）公式法：

测出30次或50次全振动的时间t，利用T＝

求出周期；不改变摆长，反复测量三次，算出三次测得的周期的平均值

，然后代入公式g＝

求重力加速度.

（2）图象法：

由单摆周期公式不难推出：

l＝

T2，因此，分别测出一系列摆长l对应的周期T，作l－T2的图象，图象应是一条通过原点的直线，求出图线的斜率k＝

，即可利用g＝4π2k求得重力加速度值，如图所示.

六.误差分析

（1）系统误差的主要悬点不固定，球、线不符合要求，振动是圆锥摆而不是在同一竖直平面内的振动等.

（2）偶然误差主要来自时间的测量，因此，要从摆球通过平衡位置时开始计时，不能多计或漏计振动次数.

考点一　实验操作与误差分析

1.在“探究单摆的周期与摆长的关系”实验中，某同学准备好相关实验器材后，把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度后释放，同时按下秒表开始计时，当单摆再次回到释放位置时停止计时，将记录的这段时间作为单摆的周期.以上操作中有不妥之处，请对其中两处加以改正._______________________________________________________________

【答案】①应在摆球通过平衡位置时开始计时；②应测量单摆多次全振动的时间，再计算出周期的测量值.（或在单摆振动稳定后开始计时）

2.某同学利用单摆测量重力加速度.

（1）为了使测量误差尽量小，下列说法正确的是________.

A.组装单摆须选用密度和直径都较小的摆球

B.组装单摆须选用轻且不易伸长的细线

C.实验时须使摆球在同一竖直面内摆动

D.摆长一定的情况下，摆的振幅尽量大

（2）如图所示，在物理支架的竖直立柱上固定有摆长约1m的单摆.实验时，由于仅有量程为20cm、精度为1mm的钢板刻度尺，于是他先使摆球自然下垂，在竖直立柱上与摆球最下端处于同一水平面的位置做一标记点，测出单摆的周期T1；然后保持悬点位置不变，设法将摆长缩短一些，再次使摆球自然下垂，用同样方法在竖直立柱上做另一标记点，并测出单摆的周期T2；最后用钢板刻度尺量出竖直立柱上两标记点之间的距离ΔL.用上述测量结果，写出重力加速度的表达式g＝________.

【答案】

（1）BC　

（2）

3.用单摆测定重力加速度的实验装置如图所示.

（1）组装单摆时，应在下列器材中选用________（选填选项前的字母）.

A.长度为1m左右的细线

B.长度为30cm左右的细线

C.直径为1.8cm的塑料球

D.直径为1.8cm的铁球

（2）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）.

（3）下表是某同学记录的3组实验数据，并做了部分计算处理.

组次

1

2

3

摆长L/cm

80.00

90.00

100.00

50次全振动时间t/s

90.0

95.5

100.5

振动周期T/s

1.80

1.91

重力加速度g/（m·s－2）

9.74

9.73

请计算出第3组实验中的T＝________s，g＝________m/s2.

（4）用多组实验数据作出T2L图象，也可以求出重力加速度g.已知三位同学作出的T2L图线的示意图如图4中的a、b、c所示，其中a和b平行，b和c都过原点，图线b对应的g值最接近当地重力加速度的值.则相对于图线b，下列分析正确的是______（选填选项前的字母）.

E.出现图线a的原因可能是误将悬点到小球下端的距离记为摆长L

F.出现图线c的原因可能是误将49次全振动记为50次

G.图线c对应的g值小于图线b对应的g值

（5）某同学在家里测重力加速度.他找到细线和铁锁，制成一个单摆，如图5所示，由于家里只有一根量程为30cm的刻度尺，于是他在细线上的A点做了一个标记，使得悬点O到A点间的细线长度小于刻度尺量程.保持该标记以下的细线长度不变，通过改变O、A间细线长度以改变摆长.实验中，当O、A间细线的长度分别为l1、l2时，测得相应单摆的周期为T1、T2.由此可得重力加速度g＝________（用l1、l2、T1、T2表示）.

【答案】

（1）AD　

（2）

　（3）2.01　9.76　（4）B　（5）

考点二　实验数据的处理

4.下表是用单摆测定重力加速度实验中获得的有关数据：

（1）利用上述数据，在图的坐标系中描绘出l－T2图象.

（2）利用图象，取T2＝4.2s2时，l＝________m，重力加速度g＝________m/s2.（结果保留三位有效数字）

【答案】

（1）图略　

（2）1.05　9.86

5.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，测量结果如图所示，则该摆球的直径为____cm.

（2）某同学先测得摆线长为89.2cm，然后用秒表记录了单摆振动30次全振动所用的时间如图中秒表所示，则该单摆的摆长为________cm，秒表所示读数为______s.

（3）为了提高实验精度，在实验中可改变几次摆长l，测出相应的周期T，从而得出一组对应的l与T的数值，再以l为横坐标，T2为纵坐标，将所得数据连成直线如图13所示，则测得的重力加速度g＝________.（π取3.14）

【答案】

（1）0.97　

（2）89.69　57.0　（3）9.86m/s2

6.将一单摆装置竖直悬挂于某一深度为h（未知）且开口向下的小筒中（单摆的下部分露于筒外），如图甲所示，将悬线拉离平衡位置一个小角度后由静止释放，设单摆振动过程中悬线不会碰到筒壁，如果本实验的长度测量工具只能测量出筒的下端口到摆球球心的距离L，并通过改变L而测出对应的摆动周期T，再以T2为纵轴、L为横轴作出T2－L函数关系图象，那么就可以通过此图象得出小筒的深度h和当地的重力加速度g.

（1）如果实验中所得到的T2－L关系图象如图乙所示，那么真正的图象应该是a、b、c中的________；

（2）由图可知，小筒的深度h＝________m，当地重力加速度g＝________m/s2；（计算结果保留三位有效数字）

（3）某次停表计时得到的时间如图丙所示，则总时间为________s.

【答案】

（1）a　

（2）0.315　9.86　（3）66.3

考点三　实验拓展与创新

7.实验时，若摆球在垂直纸面的平面内摆动，为了将人工记录振动次数改为自动记录振动次数，在摆球运动的最低点的左、右两侧分别放置一激光光源与光敏电阻，如图8甲所示.光敏电阻与某一自动记录仪相连，该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t的变化图线如图乙所示，则该单摆的振动周期为________.若保持悬点到小球顶点的绳长不变，改用直径是原小球直径2倍的另一小球进行实验，则该单摆的周期将________（填“变大”“不变”或“变小”），图乙中的Δt将________（填“变大”“不变”或“变小”）.

【答案】2t0　变大　变大

8.为了研究滑块的运动，选用滑块、钩码、纸带、毫米刻度尺、带滑轮的木板以及由漏斗和细线构成的单摆等组成如图甲所示装置，实验中，滑块在钩码作用下拖动纸带做匀加速直线运动，同时让单摆垂直于纸带运动方向做小摆幅摆动，漏斗可以漏出很细的有色液体，在纸带上留下的痕迹记录了漏斗在不同时刻的位置，如图乙所示.

（1）漏斗和细线构成的单摆在该实验中所起的作用与下列哪个仪器相同？

________（填写仪器序号）.

A.打点计时器　B.秒表　C.毫米刻度尺　D.电流表

（2）已知单摆周期T＝2s，在图乙中AB＝24.10cm，BC＝27.90cm、CD＝31.90cm、DE＝36.10cm，则单摆在经过D点时，滑块的瞬时速度为vD＝________m/s，滑块的加速度为a＝________m/s2（结果保留两位小数）.

【答案】

（1）A　

（2）0.34　0.04

9.某同学用实验的方法探究影响单摆周期的因素。

（1）他组装单摆时，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

（2）他组装好单摆后在摆球自然悬垂的情况下，用毫米刻度尺从悬点量到摆球的最低端的长度L＝0.9990m，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，单摆摆长为________m。

（3）下列振动图象真实地描述了对摆长约为1m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次全振动的图象，已知sin5°＝0.087，sin15°＝0.26，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）。

【答案】①AC　②12.0　0.9930　③A

10.实验小组的同学做“用单摆测重力加速度”的实验。

（1）实验前他们根据单摆周期公式导出了重力加速度的表达式g＝

，其中L表示摆长，T表示周期。

对于此式的理解，四位同学说出了自己的观点：

同学甲：

T一定时，g与L成正比；

同学乙：

L一定时，g与T2成反比；

同学丙：

L变化时，T2是不变的；

同学丁：

L变化时，L与T2的比值是定值。

其中观点正确的是同学________（填“甲”“乙”“丙”或“丁”）。

（2）实验室有如下器材可供选用：

B.长约1m的细线

C.长约1m的橡皮绳

D.直径约2cm的均匀铁球

E.直径约5cm的均匀木球

F.秒表

G.时钟

H.最小刻度为毫米的米尺

实验小组的同学选用了最小刻度为毫米的米尺，他们还需要从上述器材中选择________（填写器材前面的字母）。

（3）他们将符合实验要求的单摆悬挂在铁架台上，将其上端固定，下端自由下垂（如图所示）。

用刻度尺测量悬点到________之间的距离记为单摆的摆长L。

1在小球平稳摆动后，他们记录小球完成n次全振动的总时间t，则单摆的周期T＝________。

2如果实验得到的结果是g＝10.29m/s2，比当地的重力加速度值大，分析可能是哪些不当的实际操作造成这种结果，并写出其中一种：

_________________________。

【答案】

（1）丁　

（2）A，C，E　（3）小球球心　（4）

可能是振动次数n计多了；可能是测量摆长时从悬点量到了小球底部；可能在计时的时候秒表开表晚了（其他答案合理也给分）

11.实验小组拟用如图所示的装置研究滑块的运动．实验器材有：

滑块、钩码、纸带、毫米刻度尺、带滑轮的木板、漏斗和细线组成的单摆（细线质量不计且不可伸长，装满有色液体后，漏斗和液体质量相差不大）等．实验前，在控制液体不漏的情况下，从漏斗某次经过最低点时开始计时，测得之后漏斗第100次经过最低点共用时100秒；实验中，让滑块在钩码作用下拖动纸带做匀加速直线运动，同时单摆垂直于纸带运动方向做微小振幅摆动，漏斗漏出的液体在纸带上留下的痕迹记录了漏斗在不同时刻的位置．

（1）该单摆的周期是________s；

（2）图是实验得到的有液体痕迹并进行了数据测量的纸带，根据纸带可求出滑块的加速度为________m/s2；（结果取两位有效数字）

（3）用该实验装置测量滑块加速度，对实验结果影响最大的因素是______________．

【答案】

（1）2　

（2）0.10　（3）漏斗重心变化导致单摆有效摆长变化，从而改变单摆周期，影响加速度的测量值