高中物理 第十一章 机械振动 第4节 单摆 新人教版选修3-4

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(1)单摆做简谐运动应满足的条件是____摆__角__小__于__5_°_____。 (2) 试 根 据 图 中 给 出 的 数 据 点 作 出 T2 和 l 的 关 系 图 线 , 根 据 __9_.8_(_9_.9_也__正__确__)____m/s2。(结果取两位有效数字)
• 解题指导:秒表的长针是秒针,转一周是30s。 停表采用齿轮传动,指针不可能停留在两小格 不能估读出比0.1s更短的时间。位于停表上部中 圈里面的短针是分针,分针走一圈是15min,每 0.解5m析i:n。由 读T=数2π:tgl=,可短知针g读=4数Tπ22l。(t1由)+图可长知针:读摆长数l(=t2()8。

将一个摆长为l的单摆放在一个光滑
α的斜面上,其摆角为θ,如图所示A ,下列说法
)
• A.摆球做简谐运动的回复力为F=mgsinθsinα
• B.摆球做简谐运动的回复力为F=mgsinθ
• C.摆球经过平衡位置时合力为零
• D.摆球在运动过程中,经过平衡位置时,线 =mgsinα
• 解题指导:将重力准确分解到沿斜面方向是解
新课标导学
物理
选修3-4 ·人教版
第十一章
机械振动 第四节 单摆
※ ※※ ※※
了解单摆的组成及单摆回复力的推导 理解单摆周期公式并能用于计算 会用单摆测定重力加速度
1
课前预
2
课内探
3
素养提
4
课堂达
5
课时作
课前预习
单摆
• 1.单摆 • 在细线的一端拴一个小球,另一端固定在悬点上,如果线的质
解析:单摆的周期公式可表示为:T=2π Lg,周期与摆球
A 错误;摆长变小,周期变小,选项 B 错误;由赤道到北极 g 变
项 C 错误;海拔高度增大,g 变小,T 增大,选项 D 正确。综上
• 『想一想』
• 有人利用安装在气球载人舱内的单摆来确定气 如图)。已知该单摆在海平面处的周期是T0。当 一高度时,测得该单摆周期为T,则该气球此时 的高度h是多少?(把地球看做质量均匀分布的 球答体案):h=(TT0-1)R

一个单摆的摆长为l,在其悬点O
的正下方0.19l处有一钉子P(如图所示),现将
摆球向左拉开到A,使摆线偏角θ<5°,放手
后使其摆动,摆动到B的过程中摆角也小于
5°,求出单摆的振动周期。
• 解题指导:单摆做简谐运动的摆长有所变化 ,它的周期为两个不同单摆的半周期的和。
解析:释放后摆球到达右边最高点 B 处,由机械能守恒可知 则摆球始终做简谐运动。
解析:根据单摆周期公式,有 T0=2π gl0,T=2π gl , 根据万有引力公式,得 g0=GRM2 g=GR+Mh2,解得 h=(TT0-1)R。
课内探究
探究一 对单摆的回复力及运动特点的理解
• 如图所示,一根细线上端固定,下端连接一个 用手使小球偏离竖直方向一个夹角,然后释放
• (1)小球受到哪些力的作用? • (2)什么力提供向心力? • (3)什么力提供回复力? • 提示:(1)小球受细线的拉力和重力作用。 • (2)细线的拉力和重力沿径向的分力的合力提供 • (3)重力沿圆弧切线方向的分力提供小球振动的
相反,所以有回复力 F 回=G1=-mlgx。令 k=mlg,则 F 回=-k
因此,在摆角 θ 很小时,单摆做简谐运动。(摆角一般不超
• 特别提醒:(1)单摆振动的回复力为摆球重力沿 向的分力,回复力不是摆球所受的合外力。
• (2)单摆的摆动不一定都是简谐运动,只有单摆 摆角小于5°)摆动时才认为是简谐运动。
• A.T1︰T2=1︰1 B.T1︰T2=4︰1 • C.解析T:1︰由Tg2==GR2M2︰知1gg12=DMM.21RR1222T=11︰T2=1︰2
而 T=2π
l g
故 T1︰T2=1︰1
所以选项 A 正确。
探究三 实验:用单摆测定重力加速度
• 某同学利用如图所示的装置测量当地的重力加 • (1)测量周期从什么位置开始计时? • (2)采用什么样的方法处理数据较好? • 提示:(1)小球通过最低位置时 • (2)图象法
T-l2 或 T- l图象,得出结论。
3.周期公式
(1)公式的提出:周期公式是荷兰物理学家___惠__更__斯____首先
l (2)公式:T=__2_π____g____,即
T
与摆长
l
的二次方根成__正_
加速度 g 的二次方根成__反__比_____。 (3)应用——测重力加速度:由 T=2π
4π2l gl 得 g=____T_2___,
(3)测周期:将单摆从平衡位置拉开一个小于 5°的角,然后 摆振动稳定后,过最低位置时开始用秒表计时,测量 N 次(一般 振动的时间 t,则周期 T=Nt 。
(4)变摆长:将单摆的摆长变短(或变长),重复实验三次,测 和周期 T。
• 3.数据处理:
• (1)平均值法:每改变一次摆长,将相应的l和T 求出g值,最后求出g的平均值。
________。若已知摆球直径为2.00cm,让刻度尺的零点对准摆
竖直下垂,如图甲所示,则单摆0摆.8长75是0 _________m。若测定了
间ห้องสมุดไป่ตู้图乙中秒表所示,则秒表7读5.2数是_________s,单摆摆动1周.8
• 为了提高测量精度,需多次改变l值,并测得相 现将测得的六组数据标示在以l为横坐标,以T 坐标系上,即图中用“·”表示的点,则:
的__摆__长__l_____和__周__期__T_____,就可以求出当地的重力加速度。
• 『判一判』
• (1)制作单摆的细线不能太长也不能太短,1 m左右为宜。( • (2)制作单摆的摆球越大越好。( × ) • (3)单摆在任何情况下的运动都是简谐运动。( × )
• (4)单摆的回复力是重力的分力。( √ ) • (5)单摆的周期与摆球的质量无关。( √ )
87.50cm=0.8750m。秒表的读数 t=60s+15.2s=75.2s,所以 T=
(1)单摆做简谐运动的条件是摆角小于 5°。
(2)把在一条直线上的点连在一起,误差较大的点平均分布 则直线斜率 k=ΔΔTl2。由 g=4ΔπT2Δ2l=4kπ2,可得 g=9.8m/s2,(9.9
• 〔对点训练3〕 (江苏省扬州市2018届高三上学期期末)在“探
• 提示:在空间站内摆球完全失重,回复 力为零,等效值g′=0,摆球不摆动了, 周期无穷大。
1.单摆的周期 单摆的振动周期与振幅和质量无关,只决定于摆长与该处的
T=2π
l g
2.对摆长的理解
(1)实际的单摆摆球不可能是质点,所以摆长应是从悬点到摆
即 l=L+d2,L 为摆线长,d 为摆球直径。
(2)等效摆长。 图(a)中甲、乙在垂直纸面方向摆动起来效果是相同的,所 l·sina,这就是等效摆长,其周期 T=2π lsignα。
• 设计如下所示实验表格
实验
摆长
周期
重力加速度 重
次数
l/m
T/s
g/(m·s-2)

1
2
g
3
(2)图像法:由 T=2π gl 得 T2=4gπ2l,作出 T2-l 图像,即 l 为横轴。其斜率 k=4gπ2,由图像的斜率即可求出重力加速度 g

(河南郑州一中网校2016年高二下学期期中联考
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
___球___的质量以及球的直径相对于___线__长____可以忽略,这样 • 2.单摆是一个理想化的模型 • (1)在这个模型里,悬线无弹性、不可____伸__缩___、没有____质__
__质__点_____。 • (2)实际做成的单摆,悬线的伸缩____越__小___,质量_____越__轻__,
图(b)中,乙在垂直纸面方向摆动时,与甲摆等效;乙在纸 时,与丙等效。
3.影响 g 的主要因素 (1)g 由单摆所在的空间位置决定。由 g=GMr2知,g 随所在地 高度的变化而变化,高度越高,g 的值就越小,另外,在不同星 (2)g 还由单摆系统的运动状态决定,如单摆处在向上加速的 速度为 a,则重力加速度的等效值 g′=g+a;若升降机加速下 度的等效值 g′=g-a。
1.实验原理 单摆在偏角很小(小于 5°)时的摆动,可以看成是简谐运动。 =2π gl ,由此可得 g=4π2l/T2。据此,只要测出摆长 l 和周期 T 地的重力加速度值。 2.实验步骤: (1)做单摆:将线的一端穿过小球的小孔,并打一比孔大的 上端用铁夹固定于铁架台上,在平衡位置处做上标记。
(2)测摆长:用毫米刻度尺测出摆线长度 l 线,用游标卡尺测 d,则单摆的摆长 l=l 线+d2。
单摆的周期
• 1.探究单摆的振幅、质量、摆长对周期的影响 • (1)探究方法:__控__制_变__量______法。 • (2)实验结论: • ①单摆振动的周期与摆球质量无__关_______。 • ②振幅较小时周期与振幅_无__关______。 • ③摆长越长,周期__越_大______;摆长越短,周期__越__小_
• 解析:重力竖直向下,摆线对摆球的拉力总是指向悬 不总是指向悬点,故A错误;重力的切向分量提供回 力和细线拉力的合力提供向心力,故重力的另一分力 摆线拉力,故B错误,C正确,D错误。
探究二 对单摆周期公式的理解及应用
• 2013年6月20日,中国首位“太空教师 ”王亚平在“天宫一号”内进行了授课 。假设王亚平将一个摆钟(如图)带到空 间站内,则该摆动的钟摆周期如何变化 ?
___越__大____,直径与线长相比可忽略,则越接近理想化的单摆
单摆的回复力
• 1.回复力的来源 • 摆球的重力沿____圆__弧__切__线__方向的分力。 • 2.回复力的特点 • 在总偏 指角向很_平_小_衡_时_位_,_置_摆__球__所,受即的F=回_-复__m力_l_g与_x_它_ 偏离平衡位置的位移成 • 3.运动规律 • 单摆在偏角很小时做___简__谐__运动,其振动图象遵循____正__弦__
解析:摆球做简谐运动的回复力由重力沿斜面的分力沿圆弧 供,则回复力为 F=mgsinθsinα,故选项 A 正确,B 错误;摆球经 回复力为零,向心力最大,故其合外力不为零,所以选项 C 错 衡位置时速度为 v,由动能定理得 mgsinα(l-lcosθ)=12mv2,由 F′-mgsinα=mvl2,由以上两式可得线的拉力为 F′=3mgsinα 故选项 D 错误。
2.定量探究单摆的周期与摆长的关系
(1)周期的测量:用停表测出单摆 N(30~50)次全振动的时 t __N______计算它的周期。
(2)摆长的测量:用__刻__度__尺___测出细线长度 l0,用__游__标__卡__尺_ D,利用 l=_l_0+__D_2____求出摆长。
(3)数据处理:改变__摆__长_____,测量不同__摆__长_____及对应周
• (6)利用单摆可以测定重力加速度。( √ ) • (7)单摆的振幅越小,周期越小。( × )
• 『选一选』 • (湖北襄州一中、枣阳一中、宜城一中、曾都一
高二下学期期中联考)单摆的振动周D期在发生下 况中增大( ) • A.摆球质量增大 B.摆长减小 • C.单摆由赤道移到北极 D.单摆由海平面 顶上
1.回复力来源 单摆的回复力是重力沿圆弧切向的分力 F=mgsinθ 提供的。 2.单摆做简谐运动的推证 (1)在任意位置 P,则有向线段O→P为此时的位移 x,重力 G 圆弧切线方向的分力 G1=Gsinθ 提供摆球以 O 点为中心做往复运 动的回复力。
(2)在摆角很小时,sinθ≈θ=xl ,G1=Gsinθ=mlgx,G1 方向
小球在左边的周期为 T1=2π
l g
小球在右边的周期为 T2=2π
0.81l g
则整个单摆的周期为 T=T21+T22=π gl +π 0.8g1l=1.9π
答案:1.9π
l g
• 〔对点训练2〕 (陕西省西安一中2017年高二 一个单摆,在第一个行星上的周期为T1,在第 的周期为T2,若这两个行星的质量之比为M1A︰ 半径之比R1︰R2=2︰1,则周期比:( )
• 〔对点训练1〕 (北京大学附中河南分校2016年高二 关于单摆振动过程中的受力,下列C正确的说法是(
• A.重力和摆线对摆球拉力的合力总是指向悬点
• B.回复力是重力和摆线对摆球拉力的合力
• C.回复力是重力沿切线方向的分力;重力的另一分 摆线拉力
• D.回复力是重力沿切线方向的分力;重力的另一分 平衡
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