高考物理实验专练15：用单摆测重力加速度的大小练习（含解析）

这是一份高考物理实验专练15：用单摆测重力加速度的大小练习（含解析），共15页。试卷主要包含了1 mm=9，3　2等内容，欢迎下载使用。
1.(6分)(2023·长沙模拟)某学习小组学习了单摆的相关知识后,想利用如图甲所示的装置测量当地的重力加速度。
(1)赵同学找到实验室的光敏电阻等元件,利用如图乙所示装置记录振动周期,在摆球运动的最低点的左、右两侧分别放置一光敏电阻与激光光源,光敏电阻与某自动记录仪相连,该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t的变化图线如图丙所示,则该单摆的振动周期为T=________s(结果保留四位有效数字)。
(2)王同学则利用计算机绘制了a、b两个摆球的振动图像(如图丁所示),由图可知,两单摆摆长之比la∶lb=________。
(3)李同学每次用同一套实验装置,用同样的步骤进行实验,但所测得的重力加速度总是偏大,其原因可能是________。
A.开始计时时,过早按下秒表
B.测周期记录全振动次数时,将n次全振动误记为(n+1)次
C.摆球的质量过大
D.计算摆长时,只考虑悬线的长度,没有加上小球的半径
2.(8分)(2023·湖南选择考)某同学探究弹簧振子振动周期与质量的关系,实验装置如图(a)所示,轻质弹簧上端悬挂在铁架台上,下端挂有钩码,钩码下表面吸附一个小磁铁,其正下方放置智能手机,手机中的磁传感器可以采集磁感应强度实时变化的数据并输出图像,实验步骤如下:
(1)测出钩码和小磁铁的总质量m;
(2)在弹簧下端挂上该钩码和小磁铁,使弹簧振子在竖直方向做简谐运动,打开手机的磁传感器软件,此时磁传感器记录的磁感应强度变化周期等于弹簧振子振动周期;
(3)某次采集到的磁感应强度B的大小随时间t变化的图像如图(b)所示,从图中可以算出弹簧振子振动周期T=________(用“t0”表示);
(4)改变钩码质量,重复上述步骤;
(5)实验测得数据如表所示,分析数据可知,弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是________(选填“线性的”或“非线性的”);
(6)设弹簧的劲度系数为k,根据实验结果并结合物理量的单位关系,弹簧振子振动周期的表达式可能是________(填正确答案标号);
A.2πmkB.2πkm
C.2πmkD.2πkm
(7)除偶然误差外,写出一条本实验中可能产生误差的原因:________________。
3.(8分)(2023·南京六校联考)某同学设计了用拉力传感器进行“测量重力加速度”“验证机械能守恒定律”两个实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器,另一端连接小钢球,如图①所示。
(1)用游标卡尺测出小钢球直径结果如图②所示。则其直径D=________ mm。
(2)让小钢球以较小的角度在竖直平面内摆动,从计算机中得到拉力大小随时间变化的关系图像如图③,则小钢球摆动的周期为T=________ s。
(3)该同学还测得该单摆的摆线长,用L表示,则重力加速度的表达式为g=________(用物理量T、L、D表示)。
(4)将小钢球多次拉离竖直方向一定角度后由静止释放,测得拉力的最小值F1与最大值F2并得到F2-F1图线,如图④,如果小钢球在摆动的过程中机械能守恒,则该图线斜率的绝对值等于________。
4.(9分)(2024·成都模拟)公路在通过小型水库泄洪闸的下游时常常要修建凹形路面,也叫“过水路面”,如图甲是汽车通过凹形路面的情景。某兴趣小组,想通过所学知识测量过水路面的半径,他们设想的办法是,通过查阅比对图示照片的汽车,真实车身长度平均值约为4 400毫米,测得照片中的车身长度约为22.0毫米。并根据估算的比例制作了图示模型,如图乙,其表面打磨得很平滑。O点是设想中模型AB弧的圆心位置(AB弧长远小于模型半径R),C点是圆弧的最低点。另准备的实验器材是手机和一个直径很小的铁球。实验步骤如下,请予以完善,并回答有关问题:
(1)将模型放在水平桌面上,将铁球放到AB弧上,如果铁球静止时球心位置在C点左侧上方,可以在________(选填“A端”或“B端”)下方垫加小纸片,使铁球静止时球心位置在C点正上方即可;
(2)在手机闹钟功能中选择秒表功能,并归零;
(3)从A点释放铁球,铁球球心第一次通过初始静止时的位置开始计时,第n次(n大于20)通过该点时结束计时,手机秒表计得的时间为t;
(4)查阅当地重力加速度,记录为g;
问题1:根据以上实验数据,铁球往复运动的周期T=________;请写出过水路面半径的表达式r=________;
问题2:实验中发现,铁球往复运动的幅度越来越小,铁球往复运动的周期________(选填“变大”“变小”或“不变”);
问题3:实验中如果没有调节模型水平,其他步骤相同,与调节模型水平测量的结果比较,在误差允许范围内r的测量值________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
5.(9分)(2023·重庆南开中学模拟)小开把一个利用单摆原理制成的摆钟搬上山后发现,在山下走得很准的摆钟现在恰好每30分钟就会慢1秒,说明书上有言:本摆钟每摆一个周期,计时2秒。
(1)现在摆钟摆动周期T=__________s。
(2)为了让摆钟重新走准,应将摆长l调__________(选填“长”或“短”)Δl,调整量Δl与原摆长l的比值更接近于__________。
A.1700 B.1800 C.1900 D.11000
(3)该类摆钟在不同地理位置都可能出现“走不准”的情况,为了让不懂物理的人士都能方便快捷地重新调准,小开设计了如下单摆装置:劲度系数为k的轻质弹性细绳OB两端分别与底座、不可伸长的轻质细绳OA相连;细绳OA跨过光滑定滑轮后,穿过一小孔卡口,A端连一质量为m的小球;弹性绳OB始终在定滑轮右侧。用水平板托住小球上下移动,当OA、OB两绳都竖直且刚好伸直时,记录下小球球心位置为P点;释放小球,移动小孔卡口到P点并固定(小孔可打开、闭合,用以释放、卡死摆线OA)。该摆钟位于任意地理位置调准时,只需让小球停摆、打开小孔释放摆线OA、待小球静止时闭合小孔卡死摆线OA、让小球重新摆起来即可。为了使该摆钟摆动周期始终为2秒,m与k的比值应设定为________。
【加固训练】
(2023·东北三省三校联考)同学们用如图所示的“杆线摆”研究摆的周期与等效重力加速度的关系。杆线摆可以绕着立柱OO'来回摆动(立柱并不转动),使摆球的运动轨迹被约束在一个倾斜的平面内。具体操作步骤如下:
(1)测量“斜面”的倾角。
①将铁架台放在水平桌面上,在铁架台立柱上绑上重垂线,调节杆线摆的线长,使重垂线与摆杆垂直。
②把铁架台底座的一侧垫高,使立柱倾斜。测出静止时摆杆与重垂线的夹角为β,则“斜面”的倾角θ=__________。
(2)根据斜面倾角,求出等效重力加速度a。
(3)测量杆线摆的周期。
尽量减小摆杆与立柱之间的摩擦,将摆拉开一个较小的角度,轻轻释放摆球。用停表测量摆球全振动20次所用的时间t,则单摆的周期为T=__________。
(4)改变铁架台的倾斜程度,重复实验,将所需数据记录在表格中。
(5)为了直观体现周期与等效重力加速度的关系,请在坐标系中选择合适的物理量与单位,补全缺少的数据及坐标轴并绘图。
(6)通过图线,可以计算出在摆长一定的情况下,摆的周期与等效重力加速度的关系。若忽略球的尺寸,本实验中的摆长应为__________(选填“摆线”或“摆杆”)的长度,摆长为L=__________m(结果保留1位有效数字)。
解析版
1.(6分)(2023·长沙模拟)某学习小组学习了单摆的相关知识后,想利用如图甲所示的装置测量当地的重力加速度。
(1)赵同学找到实验室的光敏电阻等元件,利用如图乙所示装置记录振动周期,在摆球运动的最低点的左、右两侧分别放置一光敏电阻与激光光源,光敏电阻与某自动记录仪相连,该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t的变化图线如图丙所示,则该单摆的振动周期为T=________s(结果保留四位有效数字)。
(2)王同学则利用计算机绘制了a、b两个摆球的振动图像(如图丁所示),由图可知,两单摆摆长之比la∶lb=________。
(3)李同学每次用同一套实验装置,用同样的步骤进行实验,但所测得的重力加速度总是偏大,其原因可能是________。
A.开始计时时,过早按下秒表
B.测周期记录全振动次数时,将n次全振动误记为(n+1)次
C.摆球的质量过大
D.计算摆长时,只考虑悬线的长度,没有加上小球的半径
【解析】(1)单摆在一个周期内两次经过平衡位置,根据图丙的变化规律可知,该单摆的周期为T=2.369 s-0.369 s=2.000 s。(2)由图丁振动图线可知,两单摆的周期之比TaTb=23,由公式T=2πlg,可得两单摆摆长之比la∶lb=4∶9。(3)根据题意,由单摆的周期公式T=2πlg可得g=4π2lT2。开始计时时,过早按下秒表,周期的测量值偏大,则重力加速度的测量值偏小,选项A错误;如果振动次数多数了一次,即T偏小,g偏大,选项B正确;摆球的质量过大,不会影响单摆的周期与摆长,所以不影响重力加速度的测量,选项C错误;算摆长时漏加小球半径,则l偏小,求得的g偏小,选项D错误。
答案:(1) 2.000 (2)4∶9 (3)B
2.(8分)(2023·湖南选择考)某同学探究弹簧振子振动周期与质量的关系,实验装置如图(a)所示,轻质弹簧上端悬挂在铁架台上,下端挂有钩码,钩码下表面吸附一个小磁铁,其正下方放置智能手机,手机中的磁传感器可以采集磁感应强度实时变化的数据并输出图像,实验步骤如下:
(1)测出钩码和小磁铁的总质量m;
(2)在弹簧下端挂上该钩码和小磁铁,使弹簧振子在竖直方向做简谐运动,打开手机的磁传感器软件,此时磁传感器记录的磁感应强度变化周期等于弹簧振子振动周期;
(3)某次采集到的磁感应强度B的大小随时间t变化的图像如图(b)所示,从图中可以算出弹簧振子振动周期T=________(用“t0”表示);
(4)改变钩码质量,重复上述步骤;
(5)实验测得数据如表所示,分析数据可知,弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是________(选填“线性的”或“非线性的”);
(6)设弹簧的劲度系数为k,根据实验结果并结合物理量的单位关系,弹簧振子振动周期的表达式可能是________(填正确答案标号);
A.2πmkB.2πkm
C.2πmkD.2πkm
(7)除偶然误差外,写出一条本实验中可能产生误差的原因:________________。
【解析】(3)从图中可以算出弹簧振子振动周期T=t010;(5)分析数据可知,弹簧振子振动周期的平方与质量的比值接近于常量3.95,则弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是线性的;(6)2πmk的单位为kgN/m=kg·mkg·m/s2=s,因为s(秒)为周期的单位,则其他各项单位都不是周期的单位,故选A。(7)除偶然误差外,钩码振动过程中受空气阻力的影响可能会使本实验产生误差。
答案:(3)t010 (5)线性的 (6)A (7)空气阻力
3.(8分)(2023·南京六校联考)某同学设计了用拉力传感器进行“测量重力加速度”“验证机械能守恒定律”两个实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器,另一端连接小钢球,如图①所示。
(1)用游标卡尺测出小钢球直径结果如图②所示。则其直径D=________ mm。
(2)让小钢球以较小的角度在竖直平面内摆动,从计算机中得到拉力大小随时间变化的关系图像如图③,则小钢球摆动的周期为T=________ s。
(3)该同学还测得该单摆的摆线长,用L表示,则重力加速度的表达式为g=________(用物理量T、L、D表示)。
(4)将小钢球多次拉离竖直方向一定角度后由静止释放,测得拉力的最小值F1与最大值F2并得到F2-F1图线,如图④,如果小钢球在摆动的过程中机械能守恒,则该图线斜率的绝对值等于________。
【解析】(1)读数为9 mm+3×0.1 mm=9.3 mm。
(2)小钢球在经过最低点时绳上的拉力最大,且一个周期内经过两次最低点,所以小钢球做单摆运动的周期为T=2×(1.5-0.5) s=2.0 s。
(3)由单摆周期公式可知T=2πL+D2g,解得g=4π2(L+D2)T2=2π2(2L+D)T2。
(4)设绳的拉力最小时,偏离竖直方向的夹角为α,沿绳方向根据平衡条件有F1=mgcsα,从最高点到最低点,根据机械能守恒定律有mg(L+D2)(1-csα)=12mv2,在最低点处,由牛顿第二定律有F2-mg=mv2L+D2,联立解得F2=3mg-2F1,所以图像的斜率的绝对值应为2。
答案:(1)9.3 (2)2.0(3)2π2(2L+D)T2(或4π2(L+D2)T2) (4)2
4.(9分)(2024·成都模拟)公路在通过小型水库泄洪闸的下游时常常要修建凹形路面,也叫“过水路面”,如图甲是汽车通过凹形路面的情景。某兴趣小组,想通过所学知识测量过水路面的半径,他们设想的办法是,通过查阅比对图示照片的汽车,真实车身长度平均值约为4 400毫米,测得照片中的车身长度约为22.0毫米。并根据估算的比例制作了图示模型,如图乙,其表面打磨得很平滑。O点是设想中模型AB弧的圆心位置(AB弧长远小于模型半径R),C点是圆弧的最低点。另准备的实验器材是手机和一个直径很小的铁球。实验步骤如下,请予以完善,并回答有关问题:
(1)将模型放在水平桌面上,将铁球放到AB弧上,如果铁球静止时球心位置在C点左侧上方,可以在________(选填“A端”或“B端”)下方垫加小纸片,使铁球静止时球心位置在C点正上方即可;
(2)在手机闹钟功能中选择秒表功能,并归零;
(3)从A点释放铁球,铁球球心第一次通过初始静止时的位置开始计时,第n次(n大于20)通过该点时结束计时,手机秒表计得的时间为t;
(4)查阅当地重力加速度,记录为g;
问题1:根据以上实验数据,铁球往复运动的周期T=________;请写出过水路面半径的表达式r=________;
问题2:实验中发现,铁球往复运动的幅度越来越小,铁球往复运动的周期________(选填“变大”“变小”或“不变”);
问题3:实验中如果没有调节模型水平,其他步骤相同,与调节模型水平测量的结果比较,在误差允许范围内r的测量值________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
【解析】(1)如果铁球静止时球心位置在C点左侧上方,说明右侧偏高,可以在A端下方垫加小纸片,使铁球静止时球心位置在C点正上方即可;
(4)由题意可知在时间t内摆球全振动的次数为n-12,则铁球往复运动的周期
T=tn-12=2tn-1
根据T=2πRg
又由Rr=224400=1200
则过水路面半径的表达式r=200gt2(n-1)2π2
周期与往复运动的幅度无关,故铁球往复运动的周期不变;
根据上述公式可知,实验中如果没有调节模型水平,其他步骤相同,手机记录的时间t不变,与调节模型水平测量的结果比较,在误差允许范围内r的测量值不变。
答案:(1)A端 (4)2tn-1 200gt2(n-1)2π2 不变 不变
5.(9分)(2023·重庆南开中学模拟)小开把一个利用单摆原理制成的摆钟搬上山后发现,在山下走得很准的摆钟现在恰好每30分钟就会慢1秒,说明书上有言:本摆钟每摆一个周期,计时2秒。
(1)现在摆钟摆动周期T=__________s。
(2)为了让摆钟重新走准,应将摆长l调__________(选填“长”或“短”)Δl,调整量Δl与原摆长l的比值更接近于__________。
A.1700 B.1800 C.1900 D.11000
(3)该类摆钟在不同地理位置都可能出现“走不准”的情况,为了让不懂物理的人士都能方便快捷地重新调准,小开设计了如下单摆装置:劲度系数为k的轻质弹性细绳OB两端分别与底座、不可伸长的轻质细绳OA相连;细绳OA跨过光滑定滑轮后,穿过一小孔卡口,A端连一质量为m的小球;弹性绳OB始终在定滑轮右侧。用水平板托住小球上下移动,当OA、OB两绳都竖直且刚好伸直时,记录下小球球心位置为P点;释放小球,移动小孔卡口到P点并固定(小孔可打开、闭合,用以释放、卡死摆线OA)。该摆钟位于任意地理位置调准时,只需让小球停摆、打开小孔释放摆线OA、待小球静止时闭合小孔卡死摆线OA、让小球重新摆起来即可。为了使该摆钟摆动周期始终为2秒,m与k的比值应设定为________。
【解析】(1)每30分钟慢1秒,即每个小时慢2秒,即每个小时少计时1次,即每个小时计时1 799次,即每个小时实际为1 799个周期,故T=36001799 s。
(2)上山后重力加速度g变小导致单摆周期大于2 s,钟走不准;由T=2πlg,要T不变,应调短Δl;T准T不准=236001799=2πl-Δlg2πlg=l-Δll,得Δll≈1900。(3)由题可知,单摆摆长就等于释放小球静止时的弹性绳伸长量Δx,T=2πΔxg=2πmgkg=2πmk=2 s,故mk=1π2。
答案:(1)36001799 (2)短 C (3)1π2
【加固训练】
(2023·东北三省三校联考)同学们用如图所示的“杆线摆”研究摆的周期与等效重力加速度的关系。杆线摆可以绕着立柱OO'来回摆动(立柱并不转动),使摆球的运动轨迹被约束在一个倾斜的平面内。具体操作步骤如下:
(1)测量“斜面”的倾角。
①将铁架台放在水平桌面上,在铁架台立柱上绑上重垂线,调节杆线摆的线长,使重垂线与摆杆垂直。
②把铁架台底座的一侧垫高,使立柱倾斜。测出静止时摆杆与重垂线的夹角为β,则“斜面”的倾角θ=__________。
(2)根据斜面倾角,求出等效重力加速度a。
(3)测量杆线摆的周期。
尽量减小摆杆与立柱之间的摩擦,将摆拉开一个较小的角度,轻轻释放摆球。用停表测量摆球全振动20次所用的时间t,则单摆的周期为T=__________。
(4)改变铁架台的倾斜程度,重复实验,将所需数据记录在表格中。
(5)为了直观体现周期与等效重力加速度的关系,请在坐标系中选择合适的物理量与单位,补全缺少的数据及坐标轴并绘图。
(6)通过图线,可以计算出在摆长一定的情况下,摆的周期与等效重力加速度的关系。若忽略球的尺寸,本实验中的摆长应为__________(选填“摆线”或“摆杆”)的长度,摆长为L=__________m(结果保留1位有效数字)。
【解析】(1)摆杆与重垂线的夹角为β,θ为摆杆与水平方向的夹角,根据几何关系可知θ=90°-β。
(3)根据摆球全振动的次数和所用时间,周期T=tn。(5)根据题图可知等效重力加速度为a=gsinθ,根据单摆周期公式有T=2πLgsinθ=2πL·1gsinθ,在图中以周期T为纵坐标、以1gsinθ为横坐标建立坐标系,根据表格中相应的各组数据在坐标系中描点、作图如图所示。
(6)本实验的摆长为摆杆的长度;T-1gsinθ图像的斜率为k=2.5-00.74-0m12≈3.4 m12
结合T-1gsinθ函数图像可知k=2πL,解得L=k24π2=3.424×3.142 m≈0.3 m。
答案:(1)②90°-β (3)t20
(5)图见解析 (6)摆杆 0.3
m/kg
10T/s
T/s
T2/s2
0.015
2.43
0.243
0.059
0.025
3.14
0.314
0.099
0.035
3.72
0.372
0.138
0.045
4.22
0.422
0.178
0.055
4.66
0.466
0.217
序号
θ(°)
T(s)
a(m/s2)
1a(m-12·s)
1
11.0
2.52
1.87
0.731
2
14.5
2.11
2.45
0.639
3
19.0
1.83
3.19
0.560
4
22.5
1.73
3.75
0.516
5
25.5
1.62
4.22
0.487
6
29.0
1.50
4.75
0.459
m/kg
10T/s
T/s
T2/s2
0.015
2.43
0.243
0.059
0.025
3.14
0.314
0.099
0.035
3.72
0.372
0.138
0.045
4.22
0.422
0.178
0.055
4.66
0.466
0.217
序号
θ(°)
T(s)
a(m/s2)
1a(m-12·s)
1
11.0
2.52
1.87
0.731
2
14.5
2.11
2.45
0.639
3
19.0
1.83
3.19
0.560
4
22.5
1.73
3.75
0.516
5
25.5
1.62
4.22
0.487
6
29.0
1.50
4.75
0.459