高中 | 单摆的周期 题目答案及解析

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选修3-4

第十一章 机械振动

11.4 单摆

单摆的周期

实验小组的同学在实验室做“用单摆测量重力加速度的大小”的实验。

下列最合理的装置是$(\quad\ \ \ \ )$

["

","

","

","

"]
[["D"]]

根据单摆理想模型可知,为减小空气阻力的影响,摆球应采用密度较大,体积较小的铁球,为使单摆摆动时摆长不变化,摆线应用不易形变的细私线,悬点应该用铁夹来固定。

故选:$\rm D$

为使重力加速度的测量结果更加准确,下列做法合理的有                 

["

 测量摆长时,应测量水平拉直后的摆线长

","

 在摆球运动过程中,必须保证悬点固定不动

","

 摆球运动过程中,摆线与竖直方向的夹角不能太大

","

测量周期时,应该从摆球运动到最高点时开始计时

"]
[["BC"]]

根据周期公式$T= 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}$,可得重力加速度为$g=\dfrac{4\pi^{2}L}{T^{2}}$

$\rm A$.测量摆长时,应该测量竖直拉直后的摆线长,故$\rm A$错误;

$\rm B$.在摆球运动过程中,必须保证悬点固定不动,故$\rm B$正确;

$\rm C$.摆球运动过程中,摆线与竖直方向的夹角不能太大,如摆角太大,将不能看作简谐运动,单摆周期公式失效,故$\rm C$正确;

$\rm D$.测量周期时,应该从摆球运动到最低点时开始计时,因为最低点位置摆球速度最大,相同的视觉距离误差引起的时间误差较小,则周期测量比较准确,故$\rm D$错误。

故选:$\rm BC$

某同学课后尝试在家里做用单摆测量重力加速度的实验。由于没有合适的摆球,于是他找到了一块鸡蛋大小、外形不规则的大理石块代替小球进行实验。如图$1$所示,实验过程中他先将石块用细线系好,结点为$M$,将细线的上端固定于$O$点。然后利用刻度尺测出$OM$间细线的长度$l$作为摆长,利用手机的秒表功能测出石块做简谐运动的周期$T$。在测出几组不同摆长$l$对应的周期$T$的数值后,他作出的$T^{2}-l$图像如图$2$所示。

①该图像的斜率为                 

$\rm A$$g$           $\rm B$$\dfrac{1}{g}$              $\rm C$$\dfrac{4\pi^{2}}{g}$              $\rm D$$\dfrac{g}{4\pi^{2}}$

②由此得出重力加速度的测量值为                 $\;\rm m/s^{2}$。($\pi$$3.14$,计算结果保留三位有效数字)

[["$\\rm C$","$9.86$"]]

由图可知,设$M$点到重心得距离为$d$,根据周期公式$T=2\pi\sqrt{\dfrac{l+d}{g}}$,可得$T^{2}=\dfrac{4\pi^{2}}{g}(l+d)$

故该图像的斜率为$k=\dfrac{4\pi^{2}}{g}$,故选:$\rm C$

由于$k=\dfrac{4\pi^{2}}{g}=\dfrac{4.0}{99.0-(-1.0)} \times 10^{2}=4$,解得由此得出重力加速度的测量值为$g=\pi^{2}\approx 9.86\;\rm m/s^{2}$

实验中,该同学测量摆长使用绳长,而非悬点到石块重心之间的距离,这对重力加速度测量结果的影响是:测量值                 真实值。(填“$\gt $”、“$=$”、“$\lt $”)

[["$=$"]]

由之前的分析可知,有$T^{2}= \dfrac{4\pi^{2}}{g}(l+d)$,图像的斜率为$k=\dfrac{4\pi^{2}}{g}$,其重力加速度为$g= \dfrac{4\pi^{2}}{k}$,由上述分析可知,其摆长的测量不影响重力加速度的测量结果,所以其测量值等于真实值。

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