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2022年高中物理 實驗八用單擺測定重力加速度解析

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1、2022年高中物理 實驗八用單擺測定重力加速度解析 第一關(guān):基礎(chǔ)關(guān)展望高考 基 礎(chǔ) 知 識 (一)實驗?zāi)康? (1)學(xué)會用單擺測定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣? (2)能正確使用秒表. (3)鞏固和加深對單擺周期公式的理解. (4)學(xué)習(xí)用累積法減小相對誤差的方法. (二)實驗原理 物理學(xué)中的單擺是指在細線的一端系一小球,另一端固定于懸點.若線的伸縮和質(zhì)量忽略,小球的直徑遠小于線長,這樣的裝置稱為單擺. 單擺發(fā)生機械振動時,若擺角小于10°,這時的振動可以看成是簡諧運動. 由簡諧運動知識可以導(dǎo)出單擺的振動周期 T=. 式中l(wèi)是擺長,g是當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?將上式變形為 g=. 可以

2、看出,只要能測定出單擺的擺長和對應(yīng)的振動周期,就很容易計算出重力加速度g的數(shù)值了. 由于一般單擺的周期都不長,例如擺長1m左右的單擺其周期約為2s.所以依靠人為的秒表計時產(chǎn)生的相對誤差會很大.針對這一問題本實驗采用累積法計時,即不是測定一個周期,而是測定幾十個周期,例如30或50個周期.這樣一來,人用秒表計時過程中產(chǎn)生的誤差與幾十個周期的總時間相比就微乎其微了. 這種用累積法減小相對誤差的方法在物理實驗中經(jīng)常會遇到,希望讀者要認(rèn)真領(lǐng)會其精神實質(zhì),為以后的應(yīng)用打下基礎(chǔ). (三)實驗器材 長約1m的細絲線1根、球心開有小孔的金屬小球1個、帶有鐵夾的鐵架臺1個、毫米刻度尺1根、秒表1塊、游標(biāo)

3、卡尺1把. (四)實驗步驟 (1)安裝 ①讓線的一端穿過小球的小孔,然后打一個比小孔大一些的線結(jié),做成單擺. ②把線的上端用鐵夾固定在鐵架臺上,把鐵架臺放在實驗桌邊,使鐵夾伸到桌面以外,讓擺球自由下垂,在單擺平衡位置處做上標(biāo)記,如圖所示.實驗時以這個位置為基礎(chǔ). (2)實驗步驟 ①用米尺測出懸線長度l(準(zhǔn)確到毫米),用游標(biāo)卡尺測出擺球的直徑d. ②將擺球從平衡位置拉開一個很小角度(不超過10°),然后放開擺球,使擺球在豎直平面內(nèi)擺動. ③用秒表測出單擺完成30次或50次全振動的時間t(注意記振動次數(shù)時,以擺線通過標(biāo)記為準(zhǔn)). ④計算出平均完成一次全振動所用的時間,這個時間就

4、是單擺的振動周期. ⑤改變擺長,重做幾次實驗,每次都要記錄擺線長度l,振動次數(shù)n和振動總時間t. (3)實驗記錄 ①根據(jù)單擺的周期公式,計算出每次實驗的重力加速度,求出幾次實驗得到的重力加速度的平均值,即是本地區(qū)的重力加速度的平均值. ②將測得的重力加速度數(shù)值與當(dāng)?shù)刂亓铀俣葦?shù)值加以比較,分析產(chǎn)生誤差的可能原因. 第二關(guān):技法關(guān)解讀高考 解 題 技 法 一、實驗注意事項 技法講解 (1)選擇材料時應(yīng)選擇細、輕又不易伸長的線,長度一般在1 m左右、小球應(yīng)選用密度較大的金屬球,直徑應(yīng)較小,最好不超過2 cm (2)單擺懸線的上端不可隨意卷在鐵夾的桿上,應(yīng)夾緊在鐵夾中,以免擺動時

5、發(fā)生擺線下滑、擺長改變的現(xiàn)象. (3)注意擺動時控制擺線偏離豎直方向不超過10°.可通過估算振幅的方法掌握. (4)擺球振動時,要使之保持在同一個豎直平面內(nèi),不要形成圓錐擺. (5)計算單擺的振動次數(shù)時,應(yīng)以擺球通過最低位置時開始計時,以后擺球從同一方向通過最低位置時進行計數(shù),且在數(shù)“零”按下停表,開始計時計數(shù). 典例剖析 例1 在用單擺測定重力加速度實驗中: (1)為了比較準(zhǔn)確地測量出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?,?yīng)選用下列所給器材中的哪些?將你所選用的器材前的字母填在題后的橫線上. A.長1 m左右的細繩; B.長30 cm左右的細繩; C.直徑2 cm的鉛球; D.直徑2 c

6、m的鐵球; E.秒表; F.時鐘; G.分度值是1 cm的直尺; H.分度值是1 mm的直尺; 所選器材是_________________ (2)實驗時對擺線偏離豎直線的要求是_______;理由是_________. 解析: (1)單擺周期公式為:T=2π,經(jīng)變換得g=.因此,在實驗中只要測出單擺的擺長L和振動周期T,就可以求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的值,本實驗的目的是測出g的值,而不是驗證單擺的振動規(guī)律.如果在實驗中選用較短的擺線,既會增大擺長的測量誤差,又不易于保證偏角θ小于10°、擺線較長、擺角滿足小于10°的要求.為讓單擺的振動緩慢,方便計數(shù)和計時,所以應(yīng)選A.擺球應(yīng)盡

7、量選重的,所以選C. 因為單擺振動周期T的測量誤差對重力加速度g的影響較大,所以計時工具應(yīng)選精確度高一些的秒表.擺長的測量誤差同樣對g的影響較大,也應(yīng)選精度較高的最小刻度為毫米的直尺. (2)因為當(dāng)擺球振動時,球所受的回復(fù)力F=mgsinθ,只有當(dāng)θ很小時,sinθ≈θ,單擺振動才是簡諧運動,周期T=2π的關(guān)系式才成立. 答案:(1)ACEH(2)見解析 二、實驗誤差來源及分析 技法講解 (1)本實驗系統(tǒng)誤差主要來源于單擺模型本身是否符合要求.即懸點是否固定,是單擺還是復(fù)擺,球、線是否符合要求,振動是圓錐擺還是在同一豎直平面內(nèi)振動以及測量哪段長度作為擺長等等.只要注意了上面這些方面

8、,就可以使系統(tǒng)誤差減小到遠遠小于偶然誤差而可忽略不計的程度. (2)本實驗的偶然誤差主要來自長度的測量及時間的測量,測擺長時絕對誤差Δl=l-l0(l是測量值,l0是真實值)相對誤差是,要減小相對誤差,應(yīng)盡量增大l,所以實驗時要用1 m左右較長的擺線.測量n次全振動所用時間的絕對誤差Δt=t-t0.周期的測量值T=,Δt是不可避免的,所以要使T與T0接近相等,應(yīng)增大n,本實驗n在30次到50次之間. 典例剖析 例2 用單擺測定重力加速度的實驗中,下述說法正 確的是() A.測量擺長時,應(yīng)該用力拉緊擺線 B.單擺的擺線越長,測得的重力加速度越 準(zhǔn)確 C.如果有兩個大小相同的帶孔

9、空心鐵球和 實心鐵球可供選擇,應(yīng)選用實心鐵球作 擺球 D.為了便于改變擺線的長度,可將擺線的一頭 繞在鐵架上端的圓桿上以代替鐵夾 解析: 為了減小測擺長時的偶然誤差,固定好懸 點,要讓擺球自然下垂,用毫米刻度尺測出擺線的 長度,再用游標(biāo)卡尺測出球的直徑.故A項不正確. 由誤差分析可知擺長越長對實驗造成的誤差 越小,故B項正確. 為了盡量減小空氣阻力選用體積小密度大的 實心鐵球,故C項正確. 擺線的一頭應(yīng)用鐵夾固定作為懸點而不應(yīng)該 將繩繞在圓桿上,這樣擺動過程中很容易使擺長改 變,給實驗造成誤差,D項不正確. 答案:BC 三、實驗數(shù)據(jù)的處理 技法講解 本實驗

10、可以根據(jù)測出的l、T數(shù)據(jù)代入g=算出g值,最后取平均值作為最終結(jié)果,也可以根據(jù)T2=·l作出T2-l圖象,求出圖象的斜率k,由k=求出g值. 典例剖析 例3 某同學(xué)在用單擺測定重力加速度的實驗中,測量5種不同擺長情況下單擺的振動周期,記錄數(shù)據(jù)見表. l/m 0.5 0.8 0.9 1.0 1.2 T/s 1.42 1.79 1.90 2.00 2.20 T2/s2 2.02 3.20 3.61 4.00 4.84 以l為橫坐標(biāo),T2為縱坐標(biāo),作出T2-l圖線,如圖所示.請利用此圖線求重力加速度 . 解析: 本題考查單擺實驗數(shù)據(jù)的處理方法.公

11、式法:據(jù)公式g=把實際實驗中的數(shù)據(jù)代入,則g=4π2n2(l+d/2)/t2,求得各次的g值,最后取平均值.圖象法:作T2-l圖象,由g=可以知道T2-l圖象應(yīng)是一條過原點的直線,其斜率k的物理意義是4π2/g,所以作出T2-l圖象后求斜率k,然后可以求得重力加速度g=4π2/k.作出圖象如上圖所示,求得直線斜率k=4.00,即g=4π2/k=4×(3.14)2/4.00 m/s2=9.86 m/s2. 第三關(guān):訓(xùn)練關(guān)笑對高考 隨 堂 訓(xùn) 練 1.針對用單擺測重力加速度的實驗,下面各種對實驗誤差的影響的說法中正確的是 () A.在擺長和時間的測量中,時間的測量對實驗誤差影響較大 B

12、.在擺長和時間的測量中,長度的測量對實驗誤差影響較大 C.將振動次數(shù)n記為(n+1),測算出的g值比當(dāng)?shù)氐墓J(rèn)值偏大 D.將擺線長當(dāng)作擺長,未加擺球的半徑測算出的g值比當(dāng)?shù)氐墓J(rèn)值偏大 解析:對于單擺測重力加速度的實驗,重力加速度的表達式g=由于與周期是平方關(guān)系,它若有誤差,在平方后會大,所以時間的測量影響更大些,選A.另外,如果振動次數(shù)多數(shù)了一次,會造成周期的測量值變小,重力加速度測量值變大,C也對;若當(dāng)擺長未加小球的半徑,將使擺長的測量值變小,g值變小,D項錯. 答案:AC 2.在“用單擺測定重力加速度”的實驗中,用刻度尺量懸點到小球的距離為96.60 cm,用卡尺量得小球直徑

13、是5.260 cm,測量周期有3次,每次是在擺球通過最低點時,按下秒表開始計時,同時將此次通過最低點作為第一次,接著一直數(shù)到計時終止,結(jié)果如下表 1 2 3 數(shù)的次數(shù) 61 81 71 時間(s) 60.40 79.80 70.60 這個單擺振動周期的測定值是___________s,當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹凳莀______m/s2,(取三位有效數(shù)字). 解析:由題可知單擺的周期 T1= s=2.013 s T2=s=1.995 s T3= s=2.017 s 則周期T= =2.01 s 擺長l=l′+ =(0.966+×0.052 6) m=0.992

14、3 m 故重力加速度 g= m/s2=9.69 m/s2 答案:2.019.69 3.利用單擺周期公式測重力加速度時,測出幾組擺長和相應(yīng)周期T,并作出了T2-L圖線,如圖所示,已知圖象與橫軸間的夾角為θ,圖線上A\,B兩點的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),則可以得重力加速度g=____. 解析:令圖線斜率為k,則k=,由周期公式得,有g(shù)= 答案:4π2(x2-x1)/(y2-y1) 4.在做“用單擺測定重力加速度”的實驗中,有人提出以下幾點建議:其中對提高測量結(jié)果精確度有利的是() A.適當(dāng)加長擺線 B.質(zhì)量相同,體積不同的擺球,應(yīng)選用體積較大的 C.單擺偏離

15、平衡位置的角度不能太大 D.當(dāng)單擺經(jīng)過平衡位置時開始計時,經(jīng)過一次全振動后停止計時,用此時間間隔作為單擺振動的周期 解析:單擺實驗的精確度取決于實驗裝置的理想化程度及相關(guān)物理量的測量精度.適當(dāng)加大擺線長度,有利于把擺球看成質(zhì)點,在擺角小于10°的條件下,擺球的空間位置變化較大,便于觀察,A對.擺球體積越大,所受空氣阻力越大,對質(zhì)量相同的擺球其影響越大,B錯.擺角應(yīng)小于10°,C對.本實驗采用累積法測量周期,若僅測量一次全振動,由于球過平衡位置時速度較大,難以準(zhǔn)確記錄,且一次全振動的時間太短,偶然誤差較大,D錯. 答案:AC 5.某同學(xué)在“用單擺測定重力加速度”時,測得的重力加速度數(shù)值明

16、顯大于當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊膶嶋H值,造成這一情況的可能原因是() A.測量擺長時,把懸掛狀態(tài)的擺線長當(dāng)成擺長 B.測量周期時,當(dāng)擺球通過平衡位置時啟動秒表,此后擺球第30次通過平衡位置時制動秒表,讀出經(jīng)歷的時間為t,并由計算式T=求得周期 C.開始擺動時振幅過小 D.所用擺球的質(zhì)量過大 答案:B 6. 在利用單擺測定重力加速度的實驗中,某同學(xué)測出了多組擺長和運動周期,并根據(jù)相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)作出了T2—l的關(guān)系圖象如圖所示. (1)由圖可判定該同學(xué)出現(xiàn)的錯誤可能是. (2)雖然實驗中出現(xiàn)了錯誤,但根據(jù)圖象中的數(shù)據(jù)仍能算出重力加速度,其數(shù)值為m/s2. 解析: 由T=2π知:

17、T2=4π2=kl(其中k=),作出T2—l圖線,是一條過原點的直線,k為圖線的斜率,求出k后,則可求得當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋篻==4π2×m/s2≈9.86 m/s2.當(dāng)漏測r時,相當(dāng)于以線長l′為擺長l,這時T2=kl=k(l-r),由數(shù)學(xué)知識可知,這時的圖線的斜率不變,如圖所示,可將原圖線a向右平移r,就得到漏測r后的圖線b,其橫截距的物理意義即為半徑r.同理,當(dāng)多加r時,圖線為c,因此,該同學(xué)實驗中出現(xiàn)的錯誤是測擺長時多加了擺球的半徑. 答案:(1)測量擺長時多加了擺球的半徑(2)9.86 7.某班學(xué)生在“利用單擺測當(dāng)?shù)刂亓铀俣取? 的實驗中. (1)某同學(xué)先測得擺線長

18、為97.50 cm,擺球直徑為2.0 cm,然后用秒表記錄了單擺振動50次所用的時間如圖所示,秒表所示讀數(shù)為______s.由此 可計算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹開____.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)另一位同學(xué)將單擺掛起后,進行了如下操作: A.測擺長l,用米尺量出擺線的長度 B.測周期T,將擺球拉起,然后放開,在擺球某次通過最低點時,按下秒表開始計時,同時將此次通過最低點作為第一次,接著一直數(shù)到擺球第60次通過最低點時,按下秒表停止計時,讀出這段時間t,算出單擺周期T= C.將所測得的l和T代入單擺的周期公式求出g, 將它作為實驗的最后結(jié)果寫入報告中 指出上面步驟中遺漏或錯誤的

19、地方并加以改正.(不要求進行誤差計算) (3)在實驗中發(fā)現(xiàn)所用擺球質(zhì)量分布不均勻, 經(jīng)過探究思考,某同學(xué)同樣利用單擺測定了重力加速度,你能否說明一下他的方法? 解析: (1)由秒表可讀出單擺振動50次所用的時間為100.40 s 擺長l=l′+ =(97.50+) cm=98.50 cm 周期T=100.4 50 s=2.008 s 由T=2π 得g=cm/s2=9.6 m/s2 (2)單擺的擺長應(yīng)該是懸點到球心的距離,周期應(yīng)該是完成一次全振動所用的時間,最終結(jié)果應(yīng)該是多次測量的平均值.據(jù)此解答如下: ①要用游標(biāo)卡尺測擺球直徑d,擺長l等于擺線長加; ②當(dāng)數(shù)到擺球第60次通過最低點時,單擺只振動了59個“半周期”,所以T=; ③g應(yīng)多次測量,然后取g的平均值作為實驗的最后結(jié)果. (3)第一次量得懸線長為l1,測得振動周期為T1,第二次量得懸線長為l2,測得振動周期為T2,由此可推算出重力加速度g.根據(jù)T2=和兩次擺長的差等于擺線長的差得g=4. 答案:(1)100.40 s9.6 m/s2(2)見解析(3)見解析

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