高考物理一轮复习核心考点精讲精练考点31 用单摆测量重力加速度的大小（2份，原卷版+解析版）

这是一份高考物理一轮复习核心考点精讲精练考点31 用单摆测量重力加速度的大小（2份，原卷版+解析版），共6页。试卷主要包含了 高考真题考点分布， 命题规律及备考策略，10，05mm，所以小球直径为，3Ba，6=，83 0等内容，欢迎下载使用。
1. 高考真题考点分布
2. 命题规律及备考策略
【命题规律】各地高考对用单摆测量重力加速度的大小这个实验考查近几年频度不是太高，考查难度不大。
【备考策略】
1.理解和掌握用单摆测量重力加速度的大小实验原理，并会做出必要的误差分析。
2.能够在原型实验基础上，通过对实验的改进或者创新，做出同类探究。
【命题预测】重点关注通过创新实验实现用单摆测量重力加速度的大小。
1．实验目的
(1)练习使用停表和刻度尺。
(2)探究影响单摆运动周期的因素。
(3)学会用单摆测定当地重力加速度。
2．实验原理
当摆角很小时，单摆做简谐运动，其运动周期为T＝2π eq \r(\f(l,g)) ，由此得到g＝ eq \f(4π2l,T2) ，因此，只要测出摆长l和单摆的周期T，就可以求出当地的重力加速度g的值。
3．实验器材
单摆、游标卡尺、毫米刻度尺、停表。
4．实验过程
(1)在细线的一端打一个比小球上的孔径稍大一些的结，将细线穿过球上的小孔，并把细绳上端固定在铁架台上，制成单摆。
(2)将铁夹固定在铁架台上端，铁架台放在实验桌边，使铁夹伸到桌面以外，让摆球自然下垂，在单摆平衡位置处做上标记，如图所示。
(3)用毫米刻度尺量出摆线长度l′，用游标卡尺测出金属小球的直径，即得出金属小球半径r，计算出摆长l＝l′＋r。
(4)把单摆从平衡位置处拉开一个很小的角度(不超过5°)，然后放开金属小球，让金属小球摆动，待摆动平稳后测出单摆完成30～50次全振动所用的时间t，计算出单摆的振动周期T。
(5)根据单摆周期公式，计算当地的重力加速度。
(6)改变摆长，重做几次实验。
5．数据处理
(1)公式法：利用T＝ eq \f(t,N) 求出周期，算出三次测得的周期的平均值，然后利用公式g＝ eq \f(4π2l,T2) 求重力加速度。
(2)图像法：根据测出的一系列摆长l对应的周期T，作lT2的图像，由单摆周期公式得l＝ eq \f(g,4π2) T2，图像应是一条通过原点的直线，如图所示，求出图线的斜率k，即可利用g＝4π2k求重力加速度。
6．误差分析
7．注意事项
(1)悬线顶端不能晃动，需用夹子夹住，保证悬点固定。
(2)单摆必须在同一平面内振动，且摆角小于5°。
(3)选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时，并数准全振动的次数。
(4)小球自然下垂时，用毫米刻度尺量出悬线长l′，用游标卡尺测量小球的直径，然后算出摆球的半径r，则摆长l＝l′＋r。
(5)一般选用1 m左右的细线。
考点一 教材原型实验
考向1 实验原理与操作
1．某同学用单摆周期公式测当地重力加速度的值，组装了几种实验装置。
(1)下列最合理的装置是________。
A．B．C．D．
(2)用游标卡尺测量小球直径，示数如图甲所示，则摆球的直径 。周期公式中的l是单摆的摆长，其值等于摆线长与 之和（用d表示）。
(3)实验中多次改变摆线长度，并测得对应的周期T，该同学误将摆线长度当成了摆长，作出图像如图乙，该图像的斜率为 （填“”“”或“”）。
【答案】(1)D(2) (3)
【详解】（1）为了减小误差，小球应选取质量大体积小即密度大的铁球，还需要保证摆动过程中摆线的长度不变，应选用细丝线，且要保证摆动过程中摆点不发生移动固定，应采取铁夹夹住细丝线。故选D。
（2）[1]由图甲可知，摆球的直径[2]周期公式中的l是单摆的摆长，其值等于摆线长与小球半径，即。
（3）根据题意，由单摆的周期公式可得整理可得则图像的斜率为。
2．某实验小组的同学用如图所示的装置做“用单摆测量重力加速度”的实验。
(1)实验室有如下器材可供选用：铁架台、足够长的细线、夹子、球心开有小孔的铁球和塑料球、游标卡尺、1m长的毫米刻度尺和秒表。
上述器材中，实验中不需要的是： ；
(2)在挑选合适的器材后开始实验，操作步骤如下：
①用细线和摆球制作一个单摆，然后将细线缠绕在支柱上，使摆球自由下垂，摆球静止后用米尺测量细线悬点到摆球上边缘的距离L，然后用游标卡尺测出小球的直径 cm，如图乙所示；
②将摆球从平衡位置拉开一个角度（小于5°）后静止释放；
③待小球摆动稳定后，记录下小球第1次至第51次通过最低点的时间间隔，得到单摆的振动周期 s；
④多次改变距离L，重复上述实验，得到一系列的周期测量值；
(3)以为横轴、L为纵轴，做出图像，如图丙所示。已知图像与横轴的截距为a、与纵轴的截距为-b，则测量出的重力加速度 ；（用a、b和表示）
(4)在①~④的实验操作中，有一处操作不当，请你指出是哪个步骤 （填步骤前的序号）。
【答案】(1)球心开有小孔的塑料球(2) 1.64 1.5(3)(4)①
【详解】（1）为减小空气阻力对实验的应用，应选用球心开有小孔的铁球，故实验中不需要的是球心开有小孔的塑料球。
（2）[1]小球的直径
[2]小球第1次至第51次通过最低点的时间间隔为25个单摆周期，故单摆的振动周期
（3）细线悬点到摆球上边缘的距离L，则单摆摆长又根据单摆周期公式综合解得又图像与横轴的截距为a、与纵轴的截距为-b，则图像斜率解得
（4）实验操作①中有一处操作不当，用细线和摆球制作一个单摆，然后将细线缠绕在支柱上，单摆摆动过程中，悬点不固定，摆长会发生变化，影响实验结果。
考向2 数据处理与误差分析
3．某同学在“用单摆测定重力加速度”的实验中
(1)该同学用游标卡尺测得单摆小球的直径为 cm；同学用秒表记录的时间如图所示，则秒表的示数为 s；
(2)该同学又想出另一个办法测重力加速度，他测出多组摆线长L与周期T的数据，根据实验数据，作出了的关系图像，如图所示，根据图中数据，重力加速度为 m/s2（取，结果保留三位有效数字）
(3)如果该同学测得的g值偏大，可能的原因是___________
A．测摆线长时摆线拉得过紧
B．开始计时时，秒表按下稍晚
C．实验中将51次全振动误记为50次
D．摆线上端未牢固地系于悬点，振动中出现松动，使摆线长度增加了
【答案】(1) 1.070 96.8(2)9.86(3)AB
【详解】（1）[1]该同学用游标卡尺测得单摆小球的直径为
[2]秒表的示数为
（2）根据单摆周期公式可得所以，斜率为解得
（3）AD．根据单摆周期公式可得g值偏大的原因可能是测摆线长时摆线拉得过紧，摆长测量值偏大，故A正确，D错误；BC．设测量时间为t，全振动次数为n，则有g值偏大的原因可能是开始计时时，秒表过迟按表或多记录了全振动次数，故B正确，C错误。故选AB。
4．小明和小华用如图甲所示的装置做“用单摆测定重力加速度”的实验。
(1)将单摆正确悬挂后进行如下操作，其中正确的是__________。
A．测量摆线长时用手将摆线沿竖直方向拉紧
B．实验所用小球的质量要尽量大，体积要尽量小
C．在摆球经过平衡位置时开始计时
D．用秒表测量单摆完成1次全振动所用时间并作为单摆的周期
(2)小明根据测量摆线的长度l和对应的周期T，得到多组数据，作出了图像，如图乙所示。他认为根据图线可求得重力加速度，若不计空气阻力和测量值的偶然误差，则从理论上分析，他求得的重力加速度 真实值（选填“大于”“等于”或“小于”）。
(3)小华在实验室发现单摆的摆角远大于5°，老师告诉他单摆在最大摆角较大时周期公式近似为。他测出摆长为l的同一单摆在不同最大摆角时的周期T，并根据实验数据描绘出如图丙所示的图线。设图线延长后与横轴交点的坐标为b，则重力加速度的测量值 （用题中所给字母、l、b表示）。
【答案】(1)BC(2)等于(3)
【详解】（1）A．测量摆线长时用手将摆线沿竖直方向拉紧，摆长测量值偏大，故A错误；
B．为减小空气阻力的影响，实验所用小球的质量要尽量大，体积要尽量小，故B正确；
C．在摆球经过平衡位置时开始计时，速度最大，误差最小，故C正确；
D．用秒表测量单摆完成1次全振动所用时间并作为单摆的周期，误差较大，应多次测量取平均值，故D错误。故选BC。
（2）根据，解得则出现图线不过原点的原因是将摆线长当做了单摆的摆长；由图像可知解得可知他求得的重力加速度g等于真实值。
（3）单摆在最大摆角较大时周期公式近似为根据单摆周期T和最大摆角的关系图，则该图线延长后与横轴交点的坐标为b，即解得
考点二 创新实验方案
考向1 实验原理的改进
5．重力加速度参数广泛应用于地球物理、空间科学、航空航天等领域．高精度的重力加速度值的测量对重力场模型建立与完善、自然灾害预警、矿物勘探、大地水准面绘制等领域有着重要的作用。某同学在“用单摆周期公式测量重力加速度”的实验中，利用了智能手机和两个相同的圆柱体小磁粒进行了如下实验：
（1）用铁夹将摆线上端固定在铁架台上，将两个小磁粒的圆柱底面吸在一起，细线夹在两个小磁粒中间，做成图（a）所示的单摆；
（2）用刻度尺测量悬线的长度，用游标卡尺测得小磁粒的底面直径如图d＝ cm；算出摆长L；
（3）将智能手机磁传感器置于小磁粒平衡位置正下方，打开手机智能磁传感器，测量磁感应强度的变化；
（4）将小磁粒由平衡位置拉开一个小角度，由静止释放，手机软件记录磁感应强度的变化曲线如图（b）所示。试回答下列问题：
①由图（b）可知，单摆的周期为 ；
②改变摆线长度l，重复实验操作，得到多组数据，画出对应的2的图像，算出图像的斜率为k，则重力加速度g的表达式为 。（用题中物理量的符号表示）
（5）某同学在家里做实验时没有找到规则的小磁铁，于是他在细线上的某点A做了一个标记，实验中保持标记A点以下细线长度不变，通过改变悬点O、A间细线长度改变摆长。实验中，测得悬点O到A点的距离为时对应的周期为，悬点O到A点的距离为时对应的周期为，由此可测得当地的重力加速度 （用、、、表示）。
【答案】
【详解】（2）[1] 小磁粒的底面直径
（4）①[2]根据单摆的运动规律一个周期内应该有两个电磁感应的最大值。由图可得出，单摆的周期为。
②[3]根据可得所以为纵坐标，此时斜率得
（5）[4]设A到小磁粒重心距离为，根据，联立解得
6．某实验小组利用图甲所示装置测量当地重力加速度。轻绳一端系住直径为 的小球，另一端固定在铁架台上点，已知点到小球球心的距离为，在点正下方固定一个光电门，小球运动至最低点时光电门能够记录下小球的遮光时间。实验时，将小球拉起至轻绳和竖直方向夹角为，由静止释放小球，小球摆至最低点时光电门光线正好射向小球球心，小球的遮光宽度可近似为，光电门记录小球的遮光时间为，试回答以下问题：
(1)用游标卡尺测量小球的直径如图乙所示，则小球的直径 ；
(2)小球从释放位置运动至最低点时的速度为 ；（用题中相关物理量的字母表示）
(3)多次改变的数值，重复以上实验过程并测量对应的，得到随变化的关系如图丙所示，该图线斜率的绝对值为，可计算得重力加速度 。 （用、和表示）
【答案】(1)8.10(2)(3)
【详解】（1）由图示游标卡尺可知，其精确度为0.05mm，所以小球直径为
（2）小球从释放位置运动至最低点时的速度为
（3）由动能定理可得图丙中图线斜率的绝对值为k，则可得可得
考向2 实验器材的创新
7．某同学利用双线摆和光电计数器测量当地的重力加速度。实验装置如图甲所示，已知每根悬线长为d，两悬点间相距2s，金属小球半径为r，图中小球两侧为光电计数器。请回答下列问题：
(1)如图甲所示的双线摆能够稳定的在 （填“平行”或“垂直”）纸面的竖直平面内稳定的摆动。
(2)等效摆长 （用题目中的物理量符号表达）；
(3)如图乙是用游标卡尺测量小球的直径则小球的直径是 cm；
(4)根据实验中测得的数据，画出图象如图丙所示，取，根据图象，可求得当地的重力加速度大小为 （保留三位有效数字）；
【答案】(1)垂直(2)(3)1.54(4)9.86
【详解】（1）由受力分析可知，如图所示的双线摆能够稳定的在垂直纸面的竖直平面内稳定摆动。
（2）摆长等于摆线的有效长度与小球的半径之和，即等效摆长为
（3）小球的直径为
（4）根据单摆的周期公式可得由图像可得，图像的斜率解得当地的重力加速度大小为
8．某同学通过实验探究单摆周期与等效重力加速度定量关系，实验装置如图（a）所示，钢球、细线和轻杆组成一个“杆线摆”，杆线摆可以绕着悬挂轴来回摆动，其摆球的运动轨迹被约束在一个倾斜的平面内，这相当于单摆在斜面上来回摆动，但避免了摆球在真实斜面上运动时所受的摩擦力。测量该倾斜平面的倾角，能求出等效重力加速度a的大小，测量不同倾角下的单摆周期T，便能检验T与a的定量关系。已知重力加速度的大小为g，将下列实验补充完整：
（1）斜面倾角的测量。如图（b），铁架台上装一根铅垂线。在铁架台的立柱跟铅垂线平行的情况下把杆线摆装在立柱上，调节摆线的长度，使摆杆与立柱垂直，则此时摆杆是水平的。把铁架台底座一侧垫高如图（c），立柱倾斜，绕立柱摆动的钢球实际上是在倾斜平面上运动。测出静止时摆杆与铅垂线的夹角为，则该倾斜平面与水平面的夹角。则等效重力加速度的大小 （用g、表示）；
（2）单摆周期T的测量。在图（c）的情况下，尽量减小摆杆与立柱之间的摩擦，使该摆能较长时间绕立柱自由摆动而不停下来。让单摆做小角度下的振动，用停表测量单摆完成20个全振动所用的时间t，则单摆周期 （用表示）。同样的操作进行三次，取平均值作为该周期的测量值；
在保持摆长一定的情况下，改变铁架台的倾斜程度，测出多组不同倾斜程度下的值及在该倾角下单摆的周期T后，根据实验数据绘制图像是一条过坐标原点的倾斜直线，由此得出的结论是 。
【答案】 在摆长一定的情况下，单摆的周期与等效重力加速度的平方根成反比，即
【详解】（1）[1]将重力分解为沿杆和垂直杆，可知，等效重力等效重力加速度的大小
（2）[2][3]单摆完成20个全振动所用的时间t，则单摆周期根据题图可知等效重力加速度为a=gsinθ则根据单摆周期公式有绘制图像是一条过坐标原点的倾斜直线，所以在摆长一定的情况下，单摆的周期与等效重力加速度的平方根成反比，即。
9．在“用单摆测量重力加速度”的实验中：
(1)为了较精确地测量重力加速度的值，以下三种单摆组装方式最合理的是__________；
A．B．C．
(2)在摆球自然下垂的状态下，用毫米刻度尺测得摆线长度为；用游标卡尺测量摆球的直径，示数如图甲所示，则 mm；
(3)将小球从平衡位置拉开一个小角度静止释放，使其在竖直面内振动。待振动稳定后，从小球经过平衡位置时开始计时，测量次全振动的时间为，由本次实验数据可求得 （用、、、表示）；
(4)若某次实验测得数值比当地公认值大，原因可能是__________；
A．开始计时时，过早按下秒表
B．实验时误将49次全振动记为50次
C．摆线上端悬点未固定，振动中出现松动，摆线长度增加
(5)改变摆线长度，重复实验，测得每次实验时单摆的振动周期，作出图像为图乙中的 （选填“”“”或“”）。
【答案】(1)C(2)16.3(3)(4)B(5)a
【详解】（1）摆球应该选择密度大的小钢球，为了防止在实验过程由于摆球的摆动导致摆长发生改变，悬点要固定。故选C。
（2）由图甲，有摆球的直径为
（3）由题意有小球单摆周期由单摆周期公式其中得
（4）A．开始计时时，过早按下秒表，导致周期偏大，实验测得g数值应偏小，故A错误；
B．实验时误将49次全振动记为50次，导致周期偏小，实验测得g数值应偏大，故B正确；
C．摆线上端悬点未固定，振动中出现松动，摆线长度增加，但我们还是利用测量值来计算，所以实验测得g数值应偏小，故C错误。
故选B。
（5）由上述分析可得所以图线应该为图线a。
10．某实验小组要测量当地的重力加速度。由于没有摆球，小组成员找到了一块外形不规则的小金属挂件代替摆球做了一个如图所示的单摆。
(1)用刻度尺测量悬线的长，将挂件拉开一个不大于的角度后释放，用秒表测出30次全振动的总时间，则挂件振动的周期 s。
(2)改变悬线的长，并测出悬线长，重复（1）实验，测出挂件振动的周期为，则当地的重力加速度为 （用、、、表示）。
(3)若多次改变悬线的长度重复实验，测得每次实验时悬线的长L及对应的挂件振动的周期T，作图像，得到的图像是一条 （填“过原点”或“不过原点”）的倾斜直线，若图像的斜率为k，则当地的重力加速度为 。
【答案】(1)1.82(2)(3) 不过原点
【详解】（1）挂件振动的周期
（2）设摆线末端与小摆件重心间的距离为r，根据可得，联立，解得（3）[1]由整理，可得可知作图像，得到的图像是一条不过原点的倾斜直线。
[2]图像的斜率为则当地的重力加速度为。
11．某实验小组利用单摆测量当地的重力加速度，设计了如图（a）所示的装置：
①在点安装力传感器并与细线的一个端点固定，细线另一端系一个小球A；
②在点悬挂体积与相同的小球B，调节连接B球的细线长度，使两摆线的长度均为L，两细线保持自然下垂且平行，A、B两球恰好接触；
③将小球A小角度拉至同一竖直面内的C点由静止释放，运动到最低点与B球发生对心正碰（A、B每次碰撞均为弹性碰撞，碰撞时间极短可忽略不计），不计空气阻力。
(1)用10分度的游标卡尺测量小球的直径d，游标卡尺的示数如图（b）所示，读出 ；
(2)、球质量分布均匀，碰撞时，要发生速度交换，则 （选填“>”“=”或“