(10分)在“用单摆测定当地的重力加速度”的实验中: (1…——2022 高考物理第 18 题答案解析

2022_上海卷

2022 上海 第 18 题 解答题 区分题
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18.(10分)在“用单摆测定当地的重力加速度”的实验中:

(1)摆线质量和摆球质量分别为 $\textrm { m } _ { \sharp \sharp }$ 和 $\mathrm { ~ m ~ } _ { \tt f k } ,$ ,摆线长为l,摆球直径为d,则

(A) $\mathfrak { m } _ { \sharp \sharp } , \ \gg \mathrm { m } _ { \sharp \sharp } , \ 1 \ll \mathrm { d }$

(B) $\mathfrak { m } _ { \sharp \rangle \gamma \mathrm { m } _ { \sharp \sharp } , \ 1 \gg \mathrm { d } }$

(C) $\mathrm { ~ m ~ } _ { \# } \langle < \mathrm { m } _ { \# } , \ 1 \ll \mathrm { d }$

(D) $\mathrm { \ m _ { \ z \ k } } \langle < \mathrm { m _ { \ z \ k } } , \ 1 \rangle > \mathrm { d }$

(2)小明在测量后作出的 $\mathrm { T } ^ { 2 } ~ - ~ 1$ 图线如图所示,则他测得的结果是 ${ \bf g } =$ $\mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ 。(保留2位小数)

(3)为了减小误差,应从最高点还是最低点开始计时,请简述理由。

参考答案

(1) (D); (2) 9.75; (3) 见解析

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(1)为了将单摆简化为理想模型(质点悬挂在不可伸长的轻绳下端),实验要求摆线的质量远小于摆球的质量($m_{\text{线}} \ll m_{\text{球}}$),且摆线的长度远大于摆球的直径($l \gg d$),以忽略摆球大小和摆线质量对周期的影响。
故选 D。

(2)根据单摆周期公式 $T = 2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}$,变形可得:
$$T^2 = \frac{4\pi^2}{g} L$$
由此可知,$T^2 - l$ 图像的斜率 $k$ 代表 $\frac{4\pi^2}{g}$。
由图可知,图像上两点坐标分别为 $(0.74, 3.000)$ 和 $(0.95, 3.850)$(注意横坐标单位为 cm,计算斜率时需转换为 m,或者最后统一单位,此处直接利用差值比计算斜率更简便,但需注意量纲)。
斜率 $k = \frac{\Delta T^2}{\Delta l} = \frac{3.850 - 3.000}{(95 - 74) \times 10^{-2}} = \frac{0.850}{0.21} \approx 4.0476 \, \text{s}^2/\text{m}$。
又因为 $k = \frac{4\pi^2}{g}$,所以:
$$g = \frac{4\pi^2}{k} = \frac{4 \times 3.14159^2}{4.0476} \approx \frac{39.478}{4.0476} \approx 9.75 \, \text{m/s}^2$$

(3)应从**最低点**开始计时。
理由:单摆在摆动过程中,经过最低点时速度最大。在速度最大的位置进行计时,人眼对摆球位置的判断误差所对应的时间误差最小,从而减小周期测量的相对误差。

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