高中物理3 单 摆集体备课ppt课件

这是一份高中物理3 单 摆集体备课ppt课件，共50页。PPT课件主要包含了大得多，理想化，mgsinθ，平衡位置，惠更斯，单摆的回复力，2摆球的质量等内容，欢迎下载使用。

必备知识·自主预习储备
知识点一　单摆及其运动规律1．单摆模型若忽略悬挂小球细线长度的微小变化和_____，且线长比球的直径_______，这样的装置就叫作单摆。单摆是实际摆的_______模型。2．单摆的回复力(1)回复力的提供：摆球的重力沿圆弧_____方向的分力，即F＝___________(θ为悬线与竖直方向的夹角)。
(2)回复力的特点：在偏角很小时，单摆所受的回复力与它偏离平衡位置的位移成_____，方向总指向_________。(3)运动规律：单摆在偏角很小时做_____运动。
思考　在单摆做简谐运动的平衡位置时，摆球所受合外力为零吗？提示：不为零。
体验　1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)(1)单摆运动的回复力是重力和摆线拉力的合力。(　　)(2)单摆运动的回复力是重力沿圆弧切线方向的一个分力。(　　)(3)单摆是一个理想化的模型。(　　)
知识点二　单摆的周期1．影响单摆周期的因素(1)单摆的周期与_____有关，摆长越长，周期_____。(2)单摆的周期与摆球质量、振幅_____(选填“有关”或“无关”)。2．周期公式(1)提出：周期公式由_______首先提出。(2)公式：T＝________。
体验　2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)(1)摆球的质量越大，周期越大。(　　)(2)单摆的振幅越小，周期越小。(　　)(3)单摆的摆长越长，周期越大。(　　)
3：填空一个理想的单摆，已知其周期为T。如果由于某种原因重力加速度变为原来的2倍，振幅变为原来的3倍，摆长变为原来的8倍，摆球质量变为原来的2倍，它的周期变为________。[答案]　2T
关键能力·情境探究达成
考点1　单摆的回复力　考点2　单摆周期公式的理解及应用　　
(1)判断以下摆动模型是不是单摆，为什么？
(2)试分析单摆的回复力由什么力提供？
提示：(1)模型①不是单摆，因为橡皮筋伸长不可忽略。模型②不是单摆，因为绳子质量不可忽略。模型③不是单摆，因为绳长不是远大于球的直径。模型④不是单摆，因为悬点不固定，因而摆长在发生变化。模型⑤是单摆。
(1)摆球受力：如图所示，摆球受细线拉力和重力作用。(2)向心力来源：细线对摆球的拉力和摆球重力沿径向的分力的合力。(3)回复力来源：摆球重力沿圆弧切线方向的分力F＝mgsin θ提供了使摆球振动的回复力。
角度1　单摆回复力的理解【典例1】　关于做简谐运动的单摆，下列说法正确的是(　　)A．摆球经过平衡位置时所受合力为零B．摆球所受合力的大小跟摆球相对平衡位置的位移大小成正比C．只有在最高点时，回复力才等于重力和摆线拉力的合力D．摆球在任意位置处，回复力都不等于重力和摆线拉力的合力
C　[摆球经过平衡位置时，回复力为零，但由于摆球做圆周运动，经过平衡位置，合力不为零，合力提供向心力，方向指向悬点，A错误；摆球所受回复力由重力沿圆弧切线方向的分力提供，重力沿摆线方向的分力与摆线对摆球的拉力的合力提供向心力，所以摆球所受合力的大小跟摆球相对平衡位置的位移大小不成正比，B错误；根据牛顿第二定律可知，摆球在最大位移处时，速度为零，向心加速度为零，重力沿摆线方向的分力等于摆线对摆球的拉力，回复力才等于重力和摆线拉力的合力，在其他位置时，速度不为零，向心加速度不为零，重力沿摆线方向的分力小于摆线对摆球的拉力，回复力不等于重力和摆线拉力的合力，故C正确，D错误。]
角度2　单摆的运动过程分析【典例2】　关于单摆，下列说法正确的是(　　)A．摆球运动的回复力是摆线的拉力与重力的合力B．摆球运动过程中经过轨迹上同一点，加速度是不相等的C．摆球运动过程中，加速度的方向始终指向平衡位置D．摆球经过平衡位置时，加速度不为零
D　[摆球在运动过程中的回复力是重力沿圆弧切线方向上的分力，而不是摆线的拉力和重力的合力，故A错误；摆球经过轨迹上的同一点受力情况相同，故加速度相同，故B错误；摆球在运动过程中加速度的方向不始终指向平衡位置，因为垂直速度方向也有加速度，故C错误；摆球摆动过程中，经过平衡位置时，受重力和拉力，合力不为零，加速度不为零，故D正确。]
对于单摆的两点说明(1)所谓平衡位置，是指摆球静止时，摆线拉力与小球所受重力平衡的位置，并不是指摆动过程中的受力平衡位置。实际上，在摆动过程中，摆球受力不可能平衡。(2)回复力是由摆球受到的重力沿圆弧切线方向的分力F＝mgsin θ提供的，不可误认为回复力是重力G与摆线拉力T的合力。
[跟进训练]1．(角度1)如图所示，O点为单摆的固定悬点，现将摆球(可视为质点)拉至A点，此时细线处于张紧状态，释放摆球，摆球将在竖直平面内的A、C之间来回摆动，B点为运动中的最低位置，则在摆动过程中(　　)
A．摆球在A点和C点处，合力为零B．摆球在A点和C点处，回复力为零C．摆球在B点处，回复力最大D．摆球在B点处，细线拉力最大
D　[摆球在重力和细线拉力作用下沿圆弧AC做圆周运动，在最高点A、C处合力不为零，A错误；在最低点B处，细线上的拉力最大，D正确；摆球的回复力F＝mgsin θ，其中θ为摆线偏离竖直方向的角度，所以摆球在摆动过程中，在最高点A、C处回复力最大，在最低点B处回复力为零，故B、C错误。]
2．(角度2)(多选)关于单摆做简谐运动的过程，下列说法中正确的是(　　)A．在平衡位置摆球的速度和位移均达到最大值B．在最大位移处速度最小C．在平衡位置摆球速度最大D．摆球由最大位移处向平衡位置运动时，速度变大
BCD　[在平衡位置处，摆球的势能最小，动能最大，速度最大，而位移最小，A错误，C正确；在最大位移处，摆球的势能最大，动能最小，速度最小，B正确；摆球由最大位移处向平衡位置运动时，势能变小，动能变大，速度变大，D正确。]
3．对周期公式的理解：(1)单摆的周期公式在单摆偏角很小时成立(偏角为5°时，由周期公式算出的周期和精确值相差0.01%)。(2)公式中l是摆长，即悬点到摆球球心的距离l＝l线＋r球。(3)公式中g是单摆所在地的重力加速度，由单摆所在的空间位置决定。(4)周期T只与l和g有关，与摆球质量m及振幅无关。所以单摆的周期也叫固有周期。
【典例3】　摆长是1 m的单摆在某地区的周期是2 s，则在同一地区(　　)A．摆长是0.5 m的单摆的周期是0.707 sB．摆长是0.5 m的单摆的周期是1 sC．周期是1 s的单摆的摆长为2 mD．周期是4 s的单摆的摆长为4 m
(3)单摆的摆长①因为实际的摆球不可能是质点，所以摆长是指从悬点到摆球重心的长度，注意摆线长是从悬点到摆线与摆球连接点的长度，不要把摆长与摆线长弄混淆。②等效摆长。
[跟进训练]3．惠更斯利用单摆的等时性原理制成了世界上第一座摆钟。如图甲所示为日常生活中我们常见到的一种摆钟，图乙所示为摆钟的结构示意图，圆盘固定在摆杆上，螺母可以沿摆杆上下移动。在A地走时准确的摆钟移到B地未做其他调整时摆动加快了，下列说法正确的是 (　　)
A．A地的重力加速度较大，若要调准可将螺母适当向下移动B．A地的重力加速度较大，若要调准可将螺母适当向上移动C．B地的重力加速度较大，若要调准可将螺母适当向下移动D．B地的重力加速度较大，若要调准可将螺母适当向上移动
学习效果·随堂评估自测
1．(多选)单摆是为研究振动而抽象出的理想化模型，其理想化条件是(　　)A．摆线质量不计B．摆线长度不伸缩C．摆球的直径比摆线长度小得多D．只要是单摆的运动就是简谐运动
ABC　[单摆由摆线和摆球组成，摆线只计长度不计质量且摆线不伸缩，摆球直径远小于摆线长度，A、B、C项正确；把单摆的运动作为简谐运动来处理是有条件的，只有在偏角很小(θ≤5°)的情况下才能视单摆的运动为简谐运动，D项错误。]
2．(多选)关于单摆摆球在运动过程中的受力，下列结论正确的是(　　)A．摆球受重力、摆线的张力作用B．摆球的回复力最大时，向心力为零C．摆球的回复力为零时，向心力最大D．摆球的回复力最大时，摆线中的张力大小比摆球的重力大
ABC　[单摆在运动过程中，摆球受重力和摆线的拉力，故A正确；重力垂直于摆线的分力提供回复力，当回复力最大时，摆球在最大位移处，速度为零，向心力为零，则摆线拉力小于重力，在平衡位置处，回复力为零，速度最大，向心力最大，摆球的加速度方向沿摆线指向悬点，故D错误，B、C正确。]
3．把在北京调准的摆钟由北京移到赤道，则摆钟(　　)A．变慢了，要使它恢复准确，应该增加摆长B．变慢了，要使它恢复准确，应该减短摆长C．变快了，要使它恢复准确，应该增加摆长D．变快了，要使它恢复准确，应该减短摆长
4．(新情境题，以传感器记录的F-t图像为背景，考查单摆)将一力传感器连接到计算机上就可以测量快速变化的力，如图所示图甲中O点为单摆的悬点，现将摆球(可视为质点)拉到A点，此时细线处于张紧状态，释放摆球，则摆球在竖直平面内的A、B、C之间来回摆动，其中B点为振动的平衡位置，∠AOB＝∠COB＝α，α小于5°且是未知量。图乙表示由计算机得到的细线对摆球的拉力大小F随时间变化的图线，且图中t＝0时刻为摆球从A点开始运动的时刻，根据力学规律和题中信息(g取10 m/s2)，求：
(1)单摆的周期和摆长；
甲　　　　 　　　乙 　
[答案]　0.4π s　0.4 m　
[答案]　0.05 kg
回归本节知识，自我完成以下问题：1．单摆看成简谐运动的条件是什么？提示：摆角θ较小，θ≈sin θ。2．单摆的回复力是由哪个力提供？提示：重力垂直于摆线的分力。3．单摆的周期由哪些因素决定？提示：摆长、重力加速度。4．单摆周期的表达式是什么？
阅读材料·拓展物理视野
教堂里的发现——单摆的等时性1564年2月15日，伟大的物理学家伽利略出生于意大利比萨城的一个没落贵族家庭。他出生不久，全家就移居到佛罗伦萨近郊的一个地方。在那里，伽利略的父亲万桑佐开了一个店铺，经营羊毛生意。
孩提时的伽利略聪明可爱，活泼矫健，好奇心极强。他从不满足别人告诉的道理，喜欢亲自探索、研究和证明问题。对于儿子的这些表现，万桑佐高兴极了，希望伽利略长大后从事既高雅、报酬又丰厚的医生职业，1581年，万桑佐就把伽利略送到比萨大学学医。可是，伽利略对医学没有兴趣，他却把相当多的时间用于钻研古希腊的哲学著作，学习数学和自然科学。
伽利略(1564—1642)是一位虔诚的天主教徒，每周都坚持到教堂做礼拜。1582年的一天，伽利略到教堂做礼拜。礼拜开始不久，一位修理工人不经意触动了教堂中的大吊灯，使它来回摆动。摆动着的大吊灯映入了伽利略的眼帘，引起他的注意。伽利略聚精会神地观察着，脑海里突然闪出测量吊灯摆动时间的念头，凭着学医的经验，伽利略把右手指按到左腕的脉搏上计时，同时数着吊灯的摆动次数。起初，吊灯在一个大圆弧上摆动，摆动速度较大，伽利略测算来回摆动一次的时间。过了一阵子，吊灯摆动的幅度变小了，
摆动速度也变慢了，此时，他又测量了来回摆动一次的时间。让他大为吃惊的是，两次测量的时间是相同的。于是伽利略继续测量来回摆动一次的时间，直到吊灯几乎停止摆动时才结束。可是每次测量的结果都表明来回摆动一次需要相同的时间。通过这些测量使伽利略发现：吊灯来回摆动一次需要的时间与摆动幅度的大小无关，无论摆幅大小如何，来回摆动一次所需时间是相同的。即吊灯的摆动具有等时性，这就是伽利略最初的发现。