高中物理 第1章 機(jī)械振動(dòng) 第3節(jié) 單擺教案 魯科版選修34

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1、 第3節(jié) 單擺 課堂互動(dòng) 三點(diǎn)剖析 一、單擺的回復(fù)力 單擺振動(dòng)的回復(fù)力是擺球所受的合外力在圓弧切線方向的分力，等于重力沿圓弧切線方向的分力，擺球所受的合外力在法線方向(擺線方向)的分力作為擺球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，所以并不是合外力完全用來(lái)提供回復(fù)力. 【例1】 下列有關(guān)單擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力說(shuō)法，正確的是( ) A.單擺運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力是重力和擺線拉力的合力 B.單擺運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力是重力沿圓弧切線方向的一個(gè)分力 C.單擺過(guò)平衡位置的合力為零 D.單擺運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力是擺線拉力的一個(gè)分力 解析：?jiǎn)螖[運(yùn)動(dòng)是在一段圓弧上運(yùn)動(dòng)，因此單擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程不僅有回復(fù)力，而且有向心力，即單擺運(yùn)

2、動(dòng)的合外力不僅要提供回復(fù)力，而且要提供向心力，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤.單擺的回復(fù)力是重力沿圓弧切線方向的一個(gè)分力，而不是擺線拉力的分力，故選項(xiàng)B正確，D錯(cuò)誤.單擺過(guò)平衡位置時(shí)，回復(fù)力為零，向心力最大，故其合外力不為零，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤. 答案：B 二、單擺的周期公式 單擺的振動(dòng)周期與振幅和質(zhì)量無(wú)關(guān),只決定于擺長(zhǎng)與該處的重力加速度g.T=2π.l是從懸點(diǎn)至擺球重心長(zhǎng)度，與擺球重心位置有關(guān).g與單擺處的位置有關(guān).地球兩極處g最大，赤道最小.離地面愈高,g越小.在較復(fù)雜的單擺振動(dòng)中“g”應(yīng)理解為等效重力加速度，即單擺不振動(dòng)時(shí)在其“平衡位置”上的“視重”對(duì)應(yīng)的加速度即為“等效重力加速度”“平衡位置”

3、處“視重”大小等于不振動(dòng)時(shí)擺球?qū)[線的拉力或支持物的壓力. 【例2】 有一單擺，其擺長(zhǎng)l=1.02 m，擺球的質(zhì)量m=0.10 kg，已知單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，單擺振動(dòng)30次用的時(shí)間t=60.8 s，試求： (1)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣仁嵌啻螅? (2)如果將這個(gè)擺改為秒擺，擺長(zhǎng)應(yīng)怎樣改變？改變多少？ 解析：(1)當(dāng)單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，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?yàn)門=s=2.027 s，所以g=4π2l/T2=(43.1421.02)/2.0272 m/s2=9.79 m/s2. (2)秒擺的周期是2 s，設(shè)其擺長(zhǎng)為l0，由于在同一地點(diǎn)重力加速度

4、是不變的，根據(jù)單擺的振動(dòng)規(guī)律有： ,故有：l0=m=0.993 m.其擺長(zhǎng)要縮短Δl=l-l0=1.02 m-0.993 m=0.027 m. 答案：(1)9.79 m/s2 (2)其擺長(zhǎng)要縮短0.027 m 三、用單擺測(cè)定重力加速度 單擺的擺角很小(不超過(guò)5)時(shí)，其擺動(dòng)可以看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)周期為：T=2π，其中l(wèi)為擺長(zhǎng)，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，由此可得g=，據(jù)此，只要測(cè)出擺長(zhǎng)l和周期T，就可計(jì)算出當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭的數(shù)值. 【例3】 在“用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中，有如下器材供選用，為使實(shí)驗(yàn)誤差小，請(qǐng)把應(yīng)選用的器材填在橫線上_____________.(填字母) A.半徑為1

5、 cm帶小孔的實(shí)心木球 B.半徑為1 cm帶小孔的實(shí)心鉛球 C.長(zhǎng)約10 cm的細(xì)線 D.長(zhǎng)約1 m的細(xì)線 E.時(shí)鐘 F.秒表 G.最小刻度為mm的米尺 H.游標(biāo)卡尺 I.帶夾子的鐵架臺(tái) J.附砝碼的天平 解析：?jiǎn)螖[振動(dòng)時(shí)，要求空氣阻力遠(yuǎn)小于擺球的重力，這樣，在擺球外形一樣大小時(shí)，擺球密度越大，越是符合這種要求，故選用小鉛球而不選木球，即選B.又因要求單擺接近理想模型，即用無(wú)質(zhì)量不可伸縮的線拴一質(zhì)

6、點(diǎn)，所以線的長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于擺球直徑，故選長(zhǎng)1 m的而不用長(zhǎng)0.1 m的細(xì)線，即選D.計(jì)時(shí)時(shí)，使用秒表方便，故選F.米尺用于測(cè)擺線的長(zhǎng)度，游標(biāo)卡尺測(cè)擺球直徑，故選G、H.本實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)質(zhì)量，但必須將小球懸掛，故選I. 答案：B、D、F、G、H、I 各個(gè)擊破 類題演練1 如圖1-3-1所示，擺長(zhǎng)為l的單擺安置在傾角為α的光滑斜面上，設(shè)重力加速度為g，這個(gè)單擺的回復(fù)力等于_____________. 圖1-3-1 解析：其回復(fù)力來(lái)源應(yīng)是Gsinα在圓弧切線方向的分力，故此時(shí)等效重力加速度為gsinα. 答案：gsinα 變式提升1 關(guān)于單擺的回復(fù)力，下述說(shuō)法中正確的是(

7、) A.是小球受到的重力 B.是小球受到的細(xì)線對(duì)它的拉力 C.是重力和拉力的合力 D.是重力沿切線方向的分力 解析：這是一道回復(fù)力來(lái)源的分析題.必須明確，回復(fù)力是以效果命名的力，它的作用就是產(chǎn)生單擺在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的切向加速度.重力mg方向豎直向下，在切向有分量，但沿繩的方向也有分量，因此它的作用不僅僅是充當(dāng)回復(fù)力，故說(shuō)“回復(fù)力是重力”是錯(cuò)誤的.FT與切線垂直，沿切向無(wú)分量，故B項(xiàng)也是錯(cuò)的.對(duì)于C項(xiàng)，F(xiàn)T與mg的合力不僅僅產(chǎn)生切向加速度，因小球的運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)的一部分，還需要向心加速度，因此說(shuō)“合力是回復(fù)力

8、”錯(cuò)了.回復(fù)力是重力沿切線方向的分力. 答案：D 類題演練2 擺長(zhǎng)為L(zhǎng)的單擺在豎直平面內(nèi)振動(dòng)的過(guò)程中，最大擺角為4.那么， (1)當(dāng)擺線的偏角從4逐漸減小到2所經(jīng)歷的時(shí)間應(yīng)( ) A.等于 B.大于 C.小于 D.條件不夠，無(wú)法確定 (2)若最大擺角由4變?yōu)?,擺球的質(zhì)量加倍，則完成一次全振動(dòng)用時(shí)( ) A.等于2π B.等于π C.小于π D.大于π 解析：?jiǎn)螖[擺角由4減到2過(guò)程比從2減小到零過(guò)程中速率小，故所用時(shí)間長(zhǎng)，即所用時(shí)間t＞,故(1)題中B選項(xiàng)正確.單擺周期T=2π

9、,只與擺長(zhǎng)L和重力加速度g有關(guān)，而與最大擺角和擺球質(zhì)量無(wú)關(guān).故(2)題中的正確選項(xiàng)應(yīng)為A. 答案：(1)B (2)A 變式提升2 如圖1-3-2所示,一向右做勻加速運(yùn)動(dòng)的車廂內(nèi)掛一小球,細(xì)線長(zhǎng)為l.求小球的振動(dòng)周期. 圖1-3-2 解析：以小車為系統(tǒng)，系統(tǒng)以a向右做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)單擺的平衡位置偏離豎直方向θ角，當(dāng)擺球在平衡位置時(shí)，受到擺線的張力為F=，此時(shí)線的張力可看作單擺在加速系統(tǒng)中擺球的視重，則g′=. 答案：2π 類題演練3 在“用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中，由單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期公式得到g=，只要測(cè)出多組單擺的擺長(zhǎng)l和運(yùn)動(dòng)周期T.作出T2l圖象，就可以求出當(dāng)

10、地的重力加速度.理論上T2l圖象是一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的圖象如圖1-3-3所示. (1)造成圖象不過(guò)原點(diǎn)的原因是_____________； (2)由圖象求出的重力加速度g=__________m/s2. 圖1-3-3 解析：(1)據(jù)T2=l=k′l和題圖所示圖線的特點(diǎn)可知，擺長(zhǎng)中少計(jì)了1 cm，即測(cè)擺長(zhǎng)時(shí)漏測(cè)球的半徑r. (2)g==4π2m/s2=9.87 m/s2. 答案：(1)測(cè)擺長(zhǎng)時(shí)漏測(cè)球的半徑r (2)9.87 變式提升3 在發(fā)生下列情況時(shí)，單擺周期將增大的是（ ） A.適當(dāng)縮短擺長(zhǎng)

11、 B.適當(dāng)增加擺球質(zhì)量 C.把單擺從高山下移到平地 D.把單擺從北極移到赤道附近 解析：?jiǎn)螖[的周期公式：T=2π,所以擺球的質(zhì)量不會(huì)影響周期，故B錯(cuò).縮短擺長(zhǎng)會(huì)使周期減小，A錯(cuò).平地比高山的重力加速度大，故周期變小，C錯(cuò)，赤道比北極重力加速度小，周期增加，D對(duì). 答案：D 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375