人教版 (2019)选择性必修 第一册5 实验：用单摆测量重力加速度集体备课ppt课件

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第一册5 实验：用单摆测量重力加速度集体备课ppt课件，共46页。PPT课件主要包含了摆长l，周期T，竖直面，游标卡尺，平衡位置，全振动，图2-5-1，图线2，g4π2k，图2-5-2等内容，欢迎下载使用。

1.会依据单摆周期公式确定实验思路.2.能设计实验方案,会正确安装实验装置并进行实验操作.3.能正确使用刻度尺测量单摆的摆长,能正确使用停表测量单摆的振动周期.4.能正确处理数据,测出当地的重力加速度.5.能从多个角度进行实验误差分析.
用单摆测量重力加速度是高中阶段精度比较高的实验.教材按照实验设计及操作的一般步骤,先介绍实验思路,依据周期公式让学生想一想, 要根据上式测量重力加速度,需要测量哪些物理量?应该如何设计实验装置、选择实验器材?怎样才能减小实验误差?在学生思考和讨论的基础上,进而描述实验装置和物理量的测量方法,提出常用的数据分析方法.为了保证实验的精度,本节教材对减小实验误差非常重视,在实验装置设计上引导学生思考如何减小实验误差;在“思考与讨论”中要求学生讨论如何选择摆线、摆球,以及摆线的悬挂方式;在摆长、周期的测量环节,分别提供两种测量方式进行对比,引导学生讨论后根据测量需要进行选择;在数据分析时引导学生采用图像法减小实验误差.
本节教学的重点是单摆摆长和周期的测量及实验误差分析.单摆摆长和周期的测量是完成本实验的基础,也是实验误差的主要来源.实验数据处理和误差分析是本节的教学难点.学生虽已经具备利用单摆周期公式求重力加速度的能力,但在通过测量和数据处理来提高实验精度方面存在不足.学生知道“平均值法”能减小偶然误差,但对用图像法处理实验数据还不够熟练.
2.实验需要考虑的问题(1)构成单摆的条件:细线的质量要小、弹性要小,选用体积　　　　、密度　　　　的小球,摆角不超过5°. (2)要使摆球在同一　　　　内摆动,不能形成圆锥摆,方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放. 
(3)测周期的方法①要从摆球过平衡位置时开始计时,因为此处对应的速度大、计时误差小,而最高点对应的速度小、计时误差大.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,且在数“零”的同时按下停表,以后每当摆球从同一方向通过平衡位置时计数1次.(4)本实验可以采用图像法来处理数据.即用纵轴表示摆长l,用横轴表示T2,将实验所得数据在坐标平面上标出,应该得到一条倾斜直线,直线的斜率k=　　　　.这是在众多的实验中经常采用的科学处理数据的重要方法. 
【实验器材】铁架台及铁夹,金属小球(有孔)、停表、细线(1 m左右)、刻度尺、　　　　　　. 【物理量的测量】1.让细线穿过小球上的小孔,在细线的穿出端打一个稍大一些的线结,制成一个单摆.2.将铁夹固定在铁架台上端,铁架台放在实验桌边上,把单摆上端固定在铁夹上,使摆球自由下垂.在单摆　　　　　处做上标记. 
3.用刻度尺量出悬线长l'(准确到mm),用游标卡尺测出摆球的直径d(准确到mm),则摆长为l=　　　　. 4.把单摆拉开一个角度,角度不大于5°,释放摆球.摆球经过平衡位置时,用停表开始计时,测出单摆全振动30次(或50次)的时间,求出一次　　　　的时间,即为单摆的振动周期. 5.改变摆长,反复测量几次,将数据填入表格.
【数据处理】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的平均值.设计实验表格如下:
【误差分析】1.本实验系统误差主要来源于单摆模型本身是否符合要求,即悬点是否固定;球、线是否符合要求;振动是否在同一竖直平面内以及测量哪段长度作为摆长等等.2.本实验偶然误差主要来自时间(即单摆周期)的测量.要从摆球通过平衡位置时开始计时,并采用倒数计时计数的方法,不能多计或漏计振动次数.为了减小偶数误差,要进行多次测量后取平均值.3.本实验中在长度(摆线长、摆球的直径)的测量时,读数读到毫米即可(即使用游标卡尺测摆球直径也只需读到毫米);在时间的测量中,停表读数的有效数字的末位在秒的十分位即可.
例1 (1)如图2-5-1甲所示为小金在进行“探究单摆摆长和周期关系”实验时,用停表记录下单摆50次全振动所用时间,由图可知该次实验中50次全振动所用时间为　　　　s. 
[解析]停表的读数为60 s+39.8 s=99.8 s,即50次全振动所用时间.
(2)小金同学以摆线的长度(L)作为纵坐标,以单摆周期的二次方(T2)作为横坐标,作出L-T2的图像如图丙所示,则其作出的图线是　　　　(选填“图线1”“图线2”或“图线3”).若作出的图线的斜率为k,则能否根据图像得到当地的重力加速度?　　　　.(若不可以求出,则填“否”;若可以求出,则写出其表达式) 
变式 某同学用实验的方法探究影响单摆周期的因素.(1)他组装单摆时,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2-5-2所示,这样做的目的是　　　　(填选项前的字母). A.保证摆动过程中摆长不变 B.可使周期测量更加准确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
[解析]目的是保证摆动过程中悬点位置不变,从而保证摆长不变,同时又便于调节摆长,A、C正确.
(2)他组装好单摆后在摆球自然悬垂的情况下,用毫米刻度尺量出从悬点到摆球的最底端的长度L=0.9990 m,再用游标卡尺测量摆球直径,结果如图2-5-3所示,则该摆球的直径为　　　　mm,单摆摆长为　　　　m. 
(3)如图2-5-4所示的振动图像真实地描述了对摆长约为1 m的单摆进行周期测量的四种操作过程.图中横坐标原点表示计时开始,A、B、C均为30次全振动的图像,已知sin 5°=0.087,sin 15°=0.26,这四种操作过程合乎实验要求且误差最小的是　　　　(填选项字母). 
[解析]单摆摆角不超过5°,且应从最低点(即速度最大位置)开始计时,故选项A的操作符合要求.
(1)由实验数据得出如图乙所示的拟合直线,图中纵轴表示　　　　. 
(2)Ic的国际单位为　　　　,由拟合直线得到Ic的值为　　　　(保留到小数点后两位). 
(3)若摆的质量的测量值偏大,则重力加速度g的测量值　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”). 
【实验拓展与创新】本实验中无法确定悬线长或重心位置时会导致摆长测量不准确,可以多次测量线长l和周期T的数据,能否准确计算重力加速度?
例3 将一单摆装置竖直悬挂于某一深度为h(未知)且开口向下的小筒中(单摆的下部分露于筒外),如图2-5-6甲所示,将摆球拉离平衡位置一个小角度后由静止释放,设单摆摆动过程中悬线不会碰到筒壁,如果本实验的长度测量工具只能测量出筒的下端口到摆球球心的距离L,并通过改变L而测出对应的摆动周期T,再以T2为纵轴、L为横轴作出函数关系图像,那么就可以通过此图像得出小筒的深度h和当地的重力加速度g.(1)现有如下测量工具:A.时钟;B.停表;C.天平;D.毫米刻度尺.本实验所需的测量工具有　　　(填测量工具前的选项字母). 
[解析]测量筒的下端口到摆球球心之间的距离L,用到毫米刻度尺,测单摆的周期用停表,所以测量工具选B、D.
(2)如果实验中所得到的T2?L关系图像如图乙所示,那么真正的图像应该是a、b、c中的　　　. 
(3)由图像可知,小筒的深度h=　　　m;当地的重力加速度g=　　　m/s2(结果保留三位有效数字). 
[解析]将T2=0,L=-0.3 m代入上式,可得h=0.3 m;将T2=1.20 s2,L=0代入上式,可得g=π2 m/s2≈9.86 m/s2.
1.某同学利用单摆测量重力加速度.(1)为了使测量误差尽量小,下列说法正确的是　　 　 (填选项前的字母). A.组装单摆应选用密度和直径都较小的摆球B.组装单摆应选用轻且不易伸长的细线C.实验时应使摆球在同一竖直面内摆动D.摆长一定的情况下,摆的振幅应尽量大
[解析]组装单摆时,悬线应选用不易伸长的细线;摆球应选择体积小、密度大的摆球;单摆在同一竖直面内摆动,摆的振幅应尽量小一些.选项B、C正确.
(2)如图所示,在物理支架的竖直立柱上固定有摆长约1 m的单摆.实验时,由于仅有量程为0~20 cm、精度为1 mm的钢板刻度尺,于是他先使摆球自然下垂,在竖直立柱上与摆球最下端处于同一水平面的位置做一标记点,测出单摆的周期T1;然后保持悬点位置不变,设法将摆长缩短一些,再次使摆球自然下垂,用同样方法在竖直立柱上做另一标记点,并测出单摆的周期T2;最后用钢板刻度尺量出竖直立柱上两标记点之间的距离Δl.根据上述测量结果,请写出重力加速度的表达式:g= 　　　　. 
2.一位同学做“用单摆测定重力加速度”的实验.(1)下列是供学生自主选择的器材,你认为应选用的器材是　　 　 (填器材前的选项字母). A.约1 m长的细线B.约0.3 m长的铜丝C.约0.8 m长的橡皮筋D.直径约1 cm的实心木球E.直径约1 cm的实心钢球F.直径约1 cm的空心铝球
[解析]摆线应选择较细且不易伸长的线,为便于测量周期,应选约1 m长的细线,故A正确;为了减小空气阻力的影响,摆球选择密度大的,故E正确.
(2)该同学在安装好如图甲所示的实验装置后,测得单摆的摆长为l,然后让小球在竖直平面内小角度摆动.当小球某次经过最低点时开始计时,在完成N次全振动时停止计时,测得所用时间为t.请写出测量当地重力加速度的表达式:g= 　　　　　.(用以上测量的物理量和已知量的字母表示) 
(3)为减小实验误差,该同学又多次改变摆长l,测量多组对应的单摆周期T,准备利用T2-l的关系图线求出当地的重力加速度值.相关测量数据如下表:
该同学在图乙中已标出第1、2、3、5次实验数据对应的坐标点,请你在图乙中用符号“×”标出与第4次实验数据对应的坐标点,并画出T2-l关系图线.
[解析]第4次实验数据对应坐标点及T2-l关系图线如图所示.
(4)根据绘制出的T2-l关系图线,可求得g的测量值为　　　　m/s2.(结果保留三位有效数字) 
3.有两个同学利用假期分别去参观北大和南大的物理实验室,各自在那里利用先进的DIS系统较准确地探究了单摆的周期T与摆长l的关系,他们通过校园网交换实验数据,并由计算机绘制了T2 -l图像,如图甲所示,去北大的同学所测实验结果对应的图线是　　(选填“A”或“B”).另外,在南大做探究的同学还利用计算机绘制了a、b两个摆球的振动图像(如图乙所示),由图可知,两单摆摆长之比　　　.在t=1 s时,b球振动的方向是　　　　　　　. 
4.某同学在做“用单摆测重力加速度”的实验,步骤如下,请帮助该同学将步骤补充完整.(1)让细线的一端穿过摆球的小孔,然后打一个比小孔大的线结,制成一个单摆,线的另一端悬挂在铁架台上,有如图甲所示的两种不同的悬挂方式,应选　　(选填“A”或“B”). 
[解析]悬挂方式A中,当摆球摆动时摆长会发生变化,所以悬挂方式应选B.
(2)把铁架台放在实验桌边,使悬挂点伸到桌面以外,让摆球自由下垂.用米尺量出悬线长度l,用游标卡尺测出摆球的直径d,如图乙所示,则d=　　　mm. 
[解析]摆球直径d=4 mm+0.05 mm×12=4.60 mm.
(3)单摆的摆长为　　 　 　 (用字母l和d表示). 
(4)把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度(不超过5°)后由静止释放,使摆球只在一个竖直平面内摆动,此时单摆做简谐运动,当摆球通过平衡位置时,按下秒表并从“1”开始计数,摆球通过平衡位置的次数为n时,记下所用的时间t,则单摆的周期T= 　　　. 
(5)改变摆长,重做几次实验,由几组周期和摆长作出T2-L图像如图丙所示,若图像的斜率为k,则重力加速度g= 　　　. 
1.(误差分析)利用单摆测重力加速度的实验中,若测得的g偏小,可能是由于 (　　)A.计算摆长时,只考虑悬线长而未加小球半径B.测量周期时,将n次全振动误记成n+1次全振动C.计算摆长时,用悬线长加小球直径D.单摆振动时,振幅较小
2.(数据处理和误差分析) 某同学在“用单摆测重力加速度”的实验中进行了如下的操作;(1)用游标卡尺测量摆球直径如图2-5-7甲所示,摆球直径为　　　　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. 
[解析]由图可知,游标卡尺示数为20 mm+6×0.1 mm=20.6 mm=2.06 cm.
(2)用停表测量单摆的周期.当单摆摆动稳定且到达最低点时开始计时并记为n=0,单摆每经过最低点计一次数,当数到n=60时停表的示数如图乙所示,该单摆的周期T=　　　　s(结果保留三位有效数字).