2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理选择性必修1 第2章机械振动2.4单摆(3)课件

单摆\n1.用细线悬挂一个小球,如果细线的质量与小球相比可以忽略,球的________与线的________相比可以忽略,这样的装置就叫做________.2．在偏角很小的情况下,摆球所受的回复力与它________的位移成正比,方向总是指向________,因此单摆做简谐运动.\n3．单摆的周期公式是T＝________,由此式可知,单摆的周期与________、摆球________无关.4．用单摆测定重力加速度：由单摆周期公式可得g＝________,如果测出单摆的摆长l、周期T,就可以求出当地的重力加速度.\n答案：1．直径　长度　单摆2．偏离平衡位置　平衡位置\n知识点1单摆(1)单摆是一个理想化模型：用一根不可伸长且没有质量的细线悬挂一质点所组成的装置,叫做单摆,它是实际摆的理想化模型.(2)实际摆在满足下列条件时可看成是单摆.①摆线的形变量与摆线长度相比可忽略,悬线的质量与摆球质量相比可忽略,这时可把摆线看成是不可伸长,且没有质量的.\n②摆球的大小与摆线长度相比可忽略,这时可把摆球看成是没有大小只有质量的质点.(3)单摆做简谐运动的条件：小球摆到最高点时,细线与竖直方向的夹角叫偏角.偏角很小(θ＜10°)时,单摆做简谐运动.\n【例1】单摆是为了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短得多D．只要是单摆的运动就是一种简谐运动【答案】A、B、C\n【解析】一根不可伸长的且没有质量的细线悬挂一质点组成的装置,我们称作单摆,它是一个理想化模型,所谓理想化是指细线不伸长且无质量,小球的大小不计可视为质点,故A、B、C正确；单摆做简谐运动的条件是细线与竖直方向夹角很小,一般θ＜10°,故D项错误.【思维点悟】此题考查了单摆理想化模型及单摆做简谐运动的条件,对这两点应理解掌握.\n知识点2单摆的回复力如图11－4－1所示,摆球受重力mg和绳子拉力F′两个力作用,将重力按切线方向和径向正交分解,则绳子的拉力F′与重力的径向分量的合力提供了摆球做圆周运动所需的向心力,而重力的切向分力F提供了摆球振动所需的回复力F＝mgsinθ.\n图11－4－1\n\n说明：摆球所受的回复力是合力沿圆弧切线方向的分量(等于重力沿圆弧切线方向的分量),而不是合力,因此摆球经平衡位置时,只是回复力为零,而不是合力为零(合力不为零),此时合力提供小球做圆周运动的向心力.实质上运动过程中沿绳方向上的合力一直提供小球做圆周运动的向心力.\n【例2】下列关于单摆的说法,正确的是()A．单摆摆球从平衡位置运动到正向最大位移处时的位移为A(A为振幅),从正向最大位移处运动到平衡位置时的位移为－AB．单摆摆球的回复力等于摆球所受的合外力C．单摆摆球的回复力是摆球重力沿圆弧切线方向的分力D．单摆摆球经过平衡位置时加速度为零【答案】C\n【解析】简谐运动中的位移是以平衡位置作为起点,摆球在正向最大位移处时位移为A,在平衡位置时位移应为零.摆球的回复力由合外力沿圆弧切线方向的分力(等于重力沿圆弧切线方向的分力)提供,合外力在摆线方向的分力提供向心力,摆球经最低点(振动的平衡位置)时回复力为零,但向心力不为零,所以合外力不为零(摆球到最高点时,向心力为零,回复力最大,合外力也不为零).\n【思维点悟】单摆经过平衡位置时所受合外力不为零,此时回复力为零,但向心力不为零,合外力刚好提供向心力,所以此时摆球加速度不为零.这与弹簧振子有所不同,弹簧振子经过平衡位置时,所受合外力为零,因此加速度为零.\n对应练习1．下列有关单摆运动过程中的受力说法,正确的是()A．单摆运动的回复力是重力和摆线拉力的合力B．单摆运动的回复力是重力沿圆弧切线方向的一个分力C．单摆过平衡位置的合力为零D．单摆运动的回复力是摆线拉力的一个分力\n解析：单摆运动是在一段圆弧上运动,因此单摆运动过程中不仅有回复力,而且有向心力,即单摆运动的合外力不仅要提供回复力,而且要提供向心力,故选项A错误；单摆的回复力是重力沿圆弧切线方向的一个分力,而不是摆线拉力的分力,故选项B正确,D错误；单摆过平衡位置时,回复力为零,向心力最大,故其合外力不为零,所以选项C错误.答案：B\n知识点3单摆的周期荷兰物理学家惠更斯发现在偏角很小的情况下,单摆的周期跟摆长的平方根成正比,跟重力加速度的平方根成反比,而跟摆球的质量和振幅无关,即式中l为悬点到摆球球心间的距离,g为当地的重力加速度.\n注意：(1)单摆的等时性：在振幅较小时,单摆的周期与单摆的振幅无关,单摆的这种性质叫单摆的等时性,是伽利略首先发现的.并规定周期为2s的为秒摆.(2)单摆的周期公式在最大偏角很小时成立.(3)单摆周期公式中的g是单摆所在地的重力加速度.(4)单摆的摆长l：因为实际的单摆摆球不可能是质点,所以摆长是指从悬点到摆球重心的长度.对于不规则的摆动物体或复合物体,摆长均为从悬点到摆动物体重心的长度.而从悬点到摆线与摆球连接点的长度通常叫摆线长.\n【例3】一个单摆的摆长为l,在其悬点O的正下方0.19l处有一钉子P(如图11－4－2所示),现将摆球向左拉开到A,使摆线偏角α＜10°,放手使其摆动,求出单摆的振动周期.图11－4－2\n【解析】释放后摆球到达右边最高点B处,由机械能守恒知B和A等高,此时摆线偏角β＜α＜10°,则摆球始终做简谐运动.摆球做简谐运动的摆长有所变化,它的周期为两个不同单摆的半周期的和,即\n【思维点悟】本题考查利用单摆的周期公式计算单摆周期.注意不同的摆长有不同的周期,还要注意怎样的运动过程才是一个周期.\n对应练习2．已知在单摆a完成10次全振动的时间内,单摆b完成6次全振动,两摆长之差为1.6m,则两单摆摆长la与lb分别为()A．la＝2.5m,lb＝0.9mB．la＝0.9m,lb＝2.5mC．la＝2.4m,lb＝4.0mD．la＝4.0m,lb＝2.4m\n解析：设单摆a、b振动的时间为t.根据单摆振动的周期公式,有答案：B\n\n图11－4－3\n\n\n\n2．摆钟快慢问题的分析方法摆钟是单摆做简谐运动的一个典型应用,其快慢不同是由摆钟的周期变化引起的,分析时应注意：(1)由摆钟的机械构造所决定,钟摆每完成一次全振动,摆钟所显示的时间为一定值,也就是走时准确的摆钟的周期T.\n(2)在摆球机械构造不变的前提下,走时快的摆钟,在给定时间内全振动的次数多,周期小,钟面上显示的时间快.走时慢的摆钟,给定时间内全振动的次数少,周期大,钟面上显示的时间就慢.因钟面显示的时间总等于摆动次数乘以准确摆钟的周期TS,即t显＝N·TS,所以在同一时间t内,钟面指示时间之比等于摆次数之比.(3)无论摆钟走时是否准确,钟面上显示的时间t显＝N·TS,其中TS为走时准确摆钟的周期,N为全振动的次数.对于走时不准确的摆钟,要计算全振动的次数,不能用钟面上显示的时间除以其周期,而应以准确时间除以其周期,即N非＝t/T非.\n【例5】将在地面上校准的摆钟拿到月球上去,若此钟在月球上记录的时间是1h,那么实际的时间是多少？若要在月球上使该钟与地面上时一样准,应如何调节？(已知g月＝g地/6).\n\n