高中物理 第1章 機械振動 第3節(jié) 單擺知識導航素材 魯科版選修3-4(通用)

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1、第3節(jié)單擺 思維繳活 在現代家庭中,經常見到落地鐘表、擺鐘等各種形式的機械鐘表,它們有著共同的部件——鐘擺.如圖1-3-1所示.不同類型的鐘擺雖然擺動的快慢不同,但都在做等幅振動,那么應該怎樣描述它們的運動呢?鐘擺計時的原理又是什么? 圖1-3-1 提示:鐘擺計時是利用單擺做簡諧運動時的等時性原理. 自主整理 一、單擺的運動 1.單擺的理想化模型:一根不可伸長且___________的細線懸掛一__________的裝置,叫單擺. 2.單擺的運動特點:擺球以懸掛點為圓心,在豎直平面內沿著以為___________中點的一段圓弧做往復運動,它沿圓弧做___________圓

2、周運動. 3.單擺的回復力:如圖1-3-2所示,擺球受___________和___________兩個力作用,將重力沿切向和徑向分解,則繩子的___________和重力的___________的合力提供了擺球做圓周運動所需的向心力,而重力的___________提供了擺球振動所需的回復力F=___________,在擺角很小時,sinθ≈,F的方向可認為與x平行,但方向與位移方向相反,所以回復力可表示為___________,令k=___________,則___________. 圖1-3-2 由此可見,單擺在擺角較小的情況下的振動是___________. 二、單擺的周期

3、 1.單擺的周期公式:___________,它是荷蘭物理學家___________首先發(fā)現的. 2.周期公式的使用條件是擺角很小,一般取___________. 3.決定周期的因素:擺長l是指___________的距離,g是指___________.單擺做簡諧運動的周期只與l、g有關,與___________、___________無關,在一定地點___________,一定,一定___________的周期一定,利用單擺的等時性可制成計時器. 三、利用單擺測定重力加速度 1.測量原理:由單擺周期公式可得g=___________,測出___________和___________

4、,計算出當地的重力加速度g. 2.測量中應注意以下幾點: (1)小球擺動時,擺角應___________,且應在同一豎直面上擺動. (2)測定擺長l應從懸掛點到小球球心處,用___________懸線長,用___________測小球直徑. (3)計算單擺的振動次數時,應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計數. (4)用T=計算單擺的周期,但應適當增大單擺擺動的次數. (5)多測幾組l、T的數據,分別計算重力加速度,然后取平均值.也可以分別以l和T2為縱坐標和橫坐標,作出函數g=的圖象,理論上它是一條直線,這條直線的__________就等于當地的重力加

5、速度. 高手筆記 1.單擺在運動的過程中能量的轉化 如圖1-3-3所示,A→O,回復力做正功(重力做正功),重力勢能減小,動能增加,到O時,動能最大,勢能最小;O→A′,回復力做負功,動能減小,勢能增加,到達A′時,動能為零,勢能最大.同理分析A′→O,O→A過程中能量的轉化過程.在此過程中,因為只有重力做功,所以總機械能不變. 圖1-3-3 2.單擺的回復力 單擺振動的回復力是重力在切線方向的分力,或者說是擺球所受合外力在切線方向的分力;擺球所受合外力沿擺線方向的分力作為擺球做圓周運動的向心力.在擺球振動的平衡位置處擺球的回復力為零,合外力指向圓心,即合外力全部充當向心力,在

6、擺球偏離平衡位置最遠處,向心力為零,合外力全部充當回復力.所以單擺的回復力并不是單擺所受的合外力,而只是合外力沿切線方向的分力. 名師解惑 1.如何確定等效擺長和等效重力加速度? 剖析:(1)等效擺長l:擺長l是指擺動圓弧的圓心到擺球重心的距離,而不一定是擺線的長. 例如,在圖1-3-4中,三根等長的繩l1、l2、l3共同系住一密度均勻的小球m,球直徑為d.l2、l3與天花板的夾角α<30°.若擺球在紙面內做小角度的左右擺動,則擺動圓弧的圓心在O1處,故等效擺長為l1+,周期T1=2π;若擺球做垂直紙面的小角度擺動,則擺動圓弧的圓心在O處,故等效擺長為l1+l2sinα+,周期T2=2

7、π. 圖1-3-4 (2)等效加速度g:g不一定等于9.8 m/s2. g由單擺所在的空間位置決定.由g=G知,g隨所在地球表面的位置和高度的變化而變化,而且緯度越低,高度越高,g的值就越小,另外,在不同星球上g也不同. g還由單擺系統的運動狀態(tài)決定,如單擺處在向上加速的升降機中,設加速度為a,則擺球處于超重狀態(tài),沿圓弧的切向分力變大,則重力加速度的等效值g′=g+a,若升降機加速下降,則g′=g-a.單擺若在軌道上運行的衛(wèi)星內,擺球完全失重,回復力為零,等效值g′=0,擺球不擺動了,周期無窮大. 一般情況下,g′值等于擺球相對于加速系統靜止在平衡位置時,擺球所受的張力與擺球質量

8、的比值. 2.在用單擺測重力加速度的實驗中,擺球為什么必須在豎直面內擺動? 剖析:如圖1-3-5所示,用細線懸吊小球,使小球在水平面內做勻速圓周運動,即細線所掃過的面為圓錐面,通常我們稱為圓錐擺,實質上圓錐擺中的小球不是振動,是做勻速圓周運動. 圖1-3-5 設運動過程中細線與豎直方向夾角為θ,線長為l,則小球做圓周運動的半徑r=l·sinθ,向心力F向=mgtanθ 由F向=m·r·得圓錐擺的周期T=2π 顯然該周期小于單擺周期,所以在用單擺測重力加速度的實驗中,強調擺球必須在豎直面內擺動. 講練互動 【例題1】下列關于單擺的說法,正確的是( ) A.單擺擺球從平

9、衡位置運動到正向最大位移處時的位移為A(A為振幅),從正向最大位移處運動到平衡位置時的位移為-A B.單擺擺球的回復力等于擺球所受的合外力 C.單擺擺球的回復力是擺球重力沿圓弧切線方向的分力 D.單擺擺球經過平衡位置時加速度為零 解析:簡諧運動中的位移是以平衡位置作為起點,擺球在正向最大位移處時位移為A,在平衡位置時位移應為零,故A錯.擺球的回復力是由合外力沿圓弧切線方向的分力(等于重力沿圓弧切線方向的分力)提供,故B錯,C對.擺球經過平衡位置時回復力為零,但向心力不為零,所以合外力不為零,加速度也就不為零,故D錯. 答案:C 黑色陷阱 本題易錯選為BCD,由于做簡諧運動時,彈簧

10、振子所受到的合外力是回復力,所以也把單擺所受的合外力當作回復力.解決本題時,分清單擺做簡諧運動的回復力與所受的合外力是解決本題的關鍵. 變式訓練 1.關于單擺,下列說法中正確的是( ) A.擺球受到的回復力方向總是指向平衡位置 B.擺球受到的回復力是它的合外力 C.擺球經過平衡位置時,所受的合外力為零 D.擺角很小時,擺球受的合外力的大小跟擺球對平衡位置的位移大小成正比 解析:單擺的回復力不是它的合外力,而是重力沿圓弧方向的分力;當擺球運動到平衡位置時,回復力為零,但合外力不為零,因為小球還有向心力,方向指向懸點(即指向圓心);另外擺球所受的合外力與位移大小不成正比. 答

11、案:A 2.關于單擺擺球在運動過程中的受力,下列結論正確的是( ) A.擺球受重力、擺線的張力、回復力、向心力作用 B.擺球受的回復力最大時,向心力為零;回復力為零時,向心力最大 C.擺球受的回復力最大時,擺線中的張力大小比擺球的重力大 D.擺球受的向心力最大時,擺球的加速度方向沿擺球的運動方向 解析:單擺在運動過程中,擺球受重力和繩的拉力,故A錯.重力垂直于繩的分力提供回復力.當回復力最大時,擺球在最大位移處,速度為零,向心力為零,則拉力小于重力,在平衡位置處,回復力為零,速度最大,向心力最大,擺球的加速度方向沿繩指向懸點,故C、D錯,B對. 答案:B 【例題2】若單擺

12、的擺長不變,擺球的質量增加為原來的4倍,擺球經過平衡位置時的速度減小為原來的1/2,則單擺振動的( ) A.頻率不變,振幅不變 B.頻率不變,振幅改變 C.頻率改變,振幅改變 D.頻率改變,振幅不變 解析:由單擺的周期公式T=2π,因l不變,故T不變,f=不變;當l一定時,單擺的振幅A取決于偏角θ,根據機械能守恒定律,擺球從最大位移處到平衡位置 mgl(1-cosθ)=mv2得v2=2gl(1-cosθ),與m無關; 由擺球通過最低點的速度減小知單擺的偏角θ減小,所以振幅減小.所以正確選項為B. 答案:B 綠色

13、通道 按照定義,振幅A應為圖1-3-6中擺球在離平衡位置O最遠點P時弦的長度.因θ<5°,故弦與弧幾乎重合,所以、以及的長度都可以看成是振幅(O′與P等高且在懸點正下方).θ越大,振幅A越大. 圖1-3-6 變式訓練 3.一單擺的周期T0=2 s,則在下述情況下它的周期T是多少? (1)擺長變?yōu)樵瓉淼?/4,T=____________s. (2)擺球質量減半,T=____________s. (3)振幅減半,T=____________s. 解析:由單擺的周期公式T=2π,T∝,所以l=l0,T==1 s;單擺的周期T與質量、振幅無關,所以T=T0=2 s. 答案:(1

14、)1 (2)2 (3)2 【例題3】有一單擺,其擺長l=1.02 m,擺球的質量m=0.10 kg,已知單擺做簡諧運動,單擺振動30次用的時間t=60.8 s,試求: (1)當地的重力加速度是多大? (2)如果將這個擺改為秒擺,擺長應怎樣改變?改變多少? 解析:由單擺的周期公式可求得g,秒擺是周期為2 s的單擺,根據T∝,可求出秒擺的擺長. (1)當單擺做簡諧運動時,其周期公式 T=2π,由此可得g=4π2l/T2,只要求出T值代入即可. 因為T=s=2.027 s 所以g=4π2l/T2=(4×3.142×1.02)/2.0272 m/s2=9.79 m/s2. (2)

15、秒擺的周期是2 s,設其擺長為l0,由于在同一地點重力加速度是不變的,根據單擺的振動規(guī)律有:, 故有:l0=m=0.993 m. 其擺長要縮短Δl=l-l0=1.02 m-0.993 m=0.027 m. 答案:(1)9.79 m/s(2)其擺長要縮短0.027 m. 綠色通道 單擺的周期公式T=2π是在當單擺做簡諧運動的條件下才適用的.改變單擺的擺長能改變單擺的周期,同一單擺在重力加速度不同的兩地周期也不相同.單擺的周期與單擺的振幅無關,與擺球的質量也無關,另外根據周期公式的變形式g=還可以測重力加速度. 變式訓練 4.一個單擺,在第一個行星上的周期為T1,在第二個行星上的周期

16、為T2,若這兩個行星的質量之比M1∶M2=4∶1,半徑之比R1∶R2=2∶1,則( ) A.T1∶T2=1∶1 B.T1∶T2=4∶1 C.T1∶T2=2∶1 D.T1∶T2=1∶2 解析:單擺的周期公式為T=2π,同一單擺即有T∝.又據萬有引力定律mg=G,有g=,因此T∝,故T1∶T2== =1∶2. 答案:D 5.某同學要利用單擺測定重力加速度,但因無游標卡尺而沒有辦法測定擺球直徑,他將擺球用不可伸長的細線懸掛起來后,改變擺線的長度測了兩次周期,從而算出了重力加速度,則計算重力加速度的公式是( ) A. B

17、. C. D. 解析:設擺球重心到球與擺線連接點距離為d,兩次測得擺線長分別為l1和l2,對應周期為T1和T2. 則有g=,g=.兩式聯立可得g=. 答案:B 體驗探究 【問題1】利用單擺測定重力加速度實驗中產生誤差的原因是什么?應如何糾正? 導思:由實驗原理g=結合實際操作去分析. 探究:(1)擺長l的誤差:測擺長時應是擺線的懸點到球心的距離,除了測量中刻度尺測量所帶來的誤差外,懸點的松緊,線的彈性大小也會造成誤差.這時可選用形變量小的細繩,且在懸點處把繩子系緊,避免松動,掛上擺球,使繩在張緊過程中測量. (2)周期T的誤差:記清擺球過平衡位置的次數n

18、,時間t,則周期應為T=,為減小誤差,n應在30次~50次之間. (3)擺角的選取.在理論上,當單擺的擺角小于5°時擺球做簡諧運動,而在實際中,擺角小于5°的單擺,其運動細節(jié)很難觀察,且實際中阻力的存在,使擺幅越來越小,給測量帶來困難.這時可在擺角為15°以內的情況下研究單擺的運動,此時由于角度而引起的相對誤差為0.5%左右,這在中學物理實驗中是允許的. (4)在擺球做振動時,釋放擺球時不要用力,且注意擺球與懸點在同一豎直面內,否則擺球在擺動中會做圓錐擺運動. 【問題2】利用所學知識探究擺鐘快慢的原因. 導思:擺鐘是單擺做簡諧運動的一個典型應用,其快慢不同是由擺鐘的周期變化引起的.

19、探究:(1)由擺鐘的機械構造所決定,鐘擺每完成一次全振動,擺鐘所顯示的時間為一定值,也就是走時準確的擺鐘的周期T. (2)在擺鐘機械構造不變的前提下,走時快的擺鐘,在給定時間內全振動的次數多,周期小,鐘面上顯示的時間快.走時慢的擺鐘,給定時間內全振動的次數少,周期大,鐘面上顯示的時間就慢.因鐘面顯示的時間總等于擺動次數乘以準確擺鐘的周期TS,即t顯=N·TS,所以在同一時間t內,鐘面指示時間之比等于擺動次數之比. (3)無論擺鐘走時是否準確,鐘面上顯示的時間t顯=N·TS,其中TS為走時準確的擺鐘的周期,N為全振動的次數.對于走時不準確的擺鐘,要計算其全振動的次數,不能用鐘面上顯示的時間除以其周期,而應以準確時間除以其周期,即N非=t/T非. 教材鏈接 【討論與交流】(課本13頁) 可用沙擺畫出單擺的振動圖象.如圖1-3-7所示,當盛沙漏斗下面的薄木板N被勻速地拉出時,擺動著的漏斗中漏出的沙在板上形成曲線,顯示出擺的位移隨時間變化的關系,板上直線OO1代表時間軸. 圖1-3-7 【實驗與探究】測重力加速度課本15頁 測單擺的擺長時,可用米尺測出懸點到小球最下端的長度l0,用游標卡尺測出小球的直徑,則單擺的擺長為l=l0.

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