教科版 (2019)选择性必修 第一册4 实验：用单摆测量重力加速度集体备课课件ppt

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1.了解单摆做简谐运动的条件及相应控制方法。(物理观念)2.会测量实际单摆的摆长、单摆的振动时间,会用平均值法求周期。(科学探究)3.会用平均值法和图像法求重力加速度。(科学探究)
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一、实验思路单摆做简谐运动的周期跟摆长和当地的重力加速度有关,跟摆球的质量和振动的幅度无关。根据单摆的周期公式T=2π ,可得g=　　　　。只要测出摆长和周期,就可以计算出当地的重力加速度值。摆长为线长加小球半径
二、实验装置让一根不易伸长的细线的一端穿过小球的小孔,然后打一个比小孔大的线结。线的另一端固定在铁架台上(如图所示),把铁架台放在实验桌边,使铁夹伸到桌面以外,让摆球自由下垂。
三、物理量的测量(1)摆长的测量:用刻度尺量出　　　　　　　,用游标卡尺量出摆球的　　　,然后计算出悬点到球心的距离l=l'+ ,即为　　　。  从静止释放且不要旋转(2)周期的测量:把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度(不大于5°)后释放。当摆球摆动稳定后,从摆球某次通过　　　　位置时启动停表开始计时,数出摆球通过　　　　位置的次数n(摆球第一次过该位置记为零)。用停表记下所用的时间t,求出一次全振动的时间T= ,即单摆振动的周期。 
四、数据分析(1)平均值法:每改变一次摆长,将相应的l和T代入公式中求出g值,最后求出g的　　　　值。 填入如下所示实验表格。
五、注意事项(1)构成单摆的条件:摆线应选择细且不易伸长的线(长度1 m左右),小球应选用质量较大、体积较小的金属球(直径最好不超过2 cm),摆角要小,不超过5°。可通过估算振幅的办法掌握。(2)固定悬点:单摆悬线的上端不可随意卷在杆上,以免摆动时摆线下滑,摆长改变。(3)摆动方法:要使摆球在同一竖直面内摆动,不能形成　　　　　　,方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放。 (4)测摆长:摆长应是悬点到　　　　的距离,等于摆线长加小球半径。 
(5)测周期:①要从摆球经过　　　　位置时开始计时。 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并数零,以后摆球每过一次　　　　位置数一个数,最后总计时为t,总数为n,
六、误差分析本实验系统误差主要来源于单摆模型本身,即悬点是否固定,是单摆还是圆锥摆,球、线是否符合要求,以及测量哪段长度作为摆长等。本实验偶然误差主要来自时间(即单摆周期)的测量。因此要注意测准时间(周期),要从摆球通过平衡位置时开始计时,不能多记或漏记振动次数。为了减小偶然误差,应进行多次测量后取平均值。
易错辨析(1)在用单摆测量重力加速度的实验中,测出摆线长作为单摆的摆长。(　　)(2)在用单摆测量重力加速度的实验中,从摆球经过平衡位置时开始计时。(　　)(3)在用单摆测量重力加速度的实验中,用停表测量摆球完成一次全振动所用时间并作为单摆的周期。(　　)(4)在用单摆测量重力加速度的实验中,应保证摆球在同一竖直平面内摆动。(　　)
探究点一　实验原理及数据处理
【例1】 实验小组的同学们用如图所示的装置做用单摆测量重力加速度的实验。(1)测出悬点到小球球心的距离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) (2)实验时除用到停表、刻度尺外,还应该用到下列器材中的　　　。(填选项前的字母) A.长约1 m的细线B.长约1 m的橡皮绳C.直径约1 cm的均匀铁球D.直径约10 cm的均匀木球
(3)选择好器材,将符合实验要求的单摆悬挂在铁架台上,应采用图　　(选填“甲”或“乙”)所示的固定方式。 (4)某同学组装单摆时,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　　　　。(填选项前的字母) A.保持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
(5)某同学组装好单摆后,在摆球自然悬垂的情况下,用毫米刻度尺量得从悬点到摆球的最低端的长度L=0.999 0 m,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。 
(6)甲同学多次改变单摆的摆长并测得相应的周期,他根据测量数据画出了如图所示的图像,但忘记在图中标明横坐标所代表的物理量。你认为横坐标所代表的物理量是　　　　(选填“l2”“l”或“ ”),若图线斜率为k,则重力加速度g=　　　　(用k表示)。 (7)乙同学测得的重力加速度数值大于当地重力加速度的实际值,造成这一情况的原因可能是　　　　。(填选项前的字母) A.开始摆动时振幅较小B.开始计时时,过早按下停表C.测量周期时,误将摆球(n-1)次全振动的时间记为n次全振动的时间D.测量摆长时,以悬点到小球下端边缘的距离为摆长
(2)为了便于测量周期和减小空气阻力,摆线应选择较细且结实、无弹性的线,故选A;为了减小空气阻力的影响,摆球应选择质量大、体积小的,故选C。(3)为了避免运动过程中摆长发生变化,悬点要固定,不能松动,则选题图乙所示的固定方式。(4)这样做是为了便于调节摆长,且把摆线夹得更紧一些,使摆动过程中摆长不变,因此A、C正确。
(5)由题图可以读出,摆球的直径为12.0 mm。
时时,过早按下停表,周期偏大,则g偏小,故B错误;测量周期时,误将摆球(n-1)次全振动的时间记为n次全振动的时间,则周期偏小,g偏大,故C正确;摆长等于摆线的长度加上摆球的半径,若测量摆长时以悬点到小球下端边缘的距离为摆长,则摆长偏长,g偏大,故D正确。
对点演练1某同学在用单摆测量重力加速度的实验中进行了如下操作:(1)用游标卡尺测量摆球的直径如图甲所示,可读出摆球的直径为　　 cm。把摆球用细线悬挂在铁架台上,测量摆线长,通过计算得到摆长l。 
(2)用停表测量单摆的周期,测定了40次全振动的时间如图乙所示,那么停表读数是　　　　 s。 
(3)测量出多组周期T和摆长l的数值后,画出T2-l图像,此图像的斜率为　　。
(4)若误将摆线长当作摆长,那么在(3)中画出的直线将不通过原点,由图线斜率得到的重力加速度与原来相比,其大小　　　　。 A.偏大B.偏小C.不变D.都有可能
答案 (1)2.06　(2)75.2　(3)C　(4)C解析 (1)游标卡尺读数为2 cm+0.1 mm×6=2.06 cm。(2)停表读数是1 min+15.2 s=75.2 s。
图像的斜率不变,所以由图线斜率得到的重力加速度与原来相比大小不变,故选C。
探究点二　创新方案设计
【例2】 某同学想在家做用单摆测量重力加速度的实验,但没有合适的摆球,他找来一块体积约为3 cm3、外形不规则的金属块代替摆球,用细线将金属块系好并悬挂于O点,金属块与细线结点为M,如图所示。
(1)拉开金属块,由静止释放,从它摆到　　　　　(选填“最高点”或“最低点”)开始计时,若金属块完成n次全振动所用的时间为t,则摆动周期T=　　　　　。 (2)该同学用OM的长度l作为摆长,多次改变摆长记录多组l、T值。若用公式法计算出各组的重力加速度,再取平均值,那么得到的重力加速度与真实值相比　　　　(选填“偏大”或“偏小”)。 (3)为此该同学想改用图像法,以T2为纵坐标,l为横坐标,作出T2-l图像。如果其他操作都无误,则他作出的图像可能是图中的　　　　　(选填“a”“b”或“c”);然后根据图像的斜率k,就可测出该地的重力加速度g=　　　　。 
对点演练2在用单摆测量重力加速度的实验中:(1)图甲是用力传感器对单摆运动过程进行测量的装置图,图乙是与力传感器连接的计算机显示的F-t图像,根据图乙的信息可得,从t=0时刻开始摆球第一次摆到最低点的时刻为　　　　 s,若摆长为0.63 m,则重力加速度大小为　　　　 m/s2(取π2=10,结果保留1位小数)。 
(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.用刻度尺量得细线长度l,即摆长为lC.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,测得摆动周期,再根据单摆的周期公式计算重力加速度
答案 (1)0.5　9.8　(2)AC解析 (1)摆球第一次摆到最低点时,力传感器显示的力最大,根据题图乙的信息可得,所对应的时刻为t=0.5 s。由题图乙可知,单摆周期T=1.6 s,
若让小球在水平面内做圆周运动,则测得的摆动周期不是单摆的周期,不能根据单摆的周期公式计算重力加速度,选项D错误。
1.根据单摆周期公式可以通过实验测量当地的重力加速度。如图甲所示,将细线的上端固定在铁架台上,下端系一小钢球,就做成了单摆。
(1)用分度值为1 mm的直尺测得摆线长,用游标卡尺测得摆球直径如图乙所示,读数为　　　　 cm。 
(2)以下是实验过程中的一些做法,其中正确的是　　　　。 A.摆线要选择细些的、长度不可改变并且尽量长一些的B.摆球尽量选择质量大些、体积小些的C.为了使摆的周期大一些以方便测量,拉开摆球使摆线相距平衡位置较大的角度D.在释放摆球的同时开始计时,当摆球回到开始位置时停止计时,得到单摆的周期T
(3)某同学经测量得到6组摆长l和对应的周期T,画出l-T2图线,然后在图线上选取A、B两个点,坐标如图丙所示。利用图中A、B两点坐标表示当地重力加速度的表达式g=　　　　。处理完数据后,该同学发现在计算摆长时用的是摆线长度而未计入小球的半径,这样　　　　　　(选填“影响”或“不影响”)重力加速度的计算。 
2.某同学在实验室利用单摆测量当地的重力加速度。(1)他在组装单摆时,应选择　　　　。 
(2)在摆球自然悬垂的状态下,用毫米刻度尺量取从悬点到摆球最顶端的长度l;用游标卡尺测量摆球的直径,示数如图所示,则d=　　　　 mm。 (3)有一同学由单摆周期公式求得的g值偏小,则可能是　　　　。 A.测量悬线长度作为摆长,没有加上摆球的半径B.把n次全振动误计为(n+1)次全振动C.摆线上端未固定牢,摆动过程中出现松动,使摆线变长