用单摆测重力加速度

单摆周期 · T²-L 图 · g = 4π²L/T² · 高中力学
高考必考
调节摆长 · 拉开摆球松手释放 · 手动计时
悬点 L = 80.0 cm mg 拖拽摆球释放 ↕ 拖拽摆球上下调摆长 80.0

实验引导

1调摆长:上下拖拽摆球(50~120cm)
2拉摆球:水平拖拽拉开角度(<5°)
3释放:松手,摆球开始振动
4计时:手动按停表,计 30~50 次全振动
5记录:记录 L、n、t,计算 T
6换摆长:改变摆长重复(≥3 组)

实时参数

摆长 L80.0 cm
摆角 θ0.0°
球径 d2.00 cm
质量 m50.0 g
运动状态静止

停表

00:00.00
全振动:0 次
T = — s

数据记录

L(cm)nt(s)T(s)T²(s²)
计时后记录

T²-L 图

L / m T² / s² 0 0.3 0.6 0.9 1.2 0 1 2 3 4

计算结果

实测 g
m/s²
标准值
9.80 m/s²
偏差

单摆周期公式

单摆做简谐运动时,周期只与摆长 L 和重力加速度 g 有关,与振幅和质量无关(等时性)。

  • L — 摆长(悬点到球心的距离),单位 m
  • g — 重力加速度,单位 m/s²
  • 由 T² = 4π²L/g 得 g = 4π²L/T²

注意:摆长 = 悬线长度 + 球的半径,不是仅悬线长度。

T²-L 图求 g

T² 与 L 成正比,T²-L 图是过原点的直线,斜率 k = 4π²/g。

从斜率求 g:g = 4π²/k

考点:为什么用 T²-L 图而不是 T-L 图?因为 T² 与 L 是线性关系,便于拟合。

实验注意事项

小角度:摆角 θ < 5°,否则不满足简谐运动近似。

测多次取平均:测 30~50 次全振动的总时间再除以次数,减小人工计时误差。

摆长测量:L = 悬线长度 + 球半径 r。

全振动:从最大偏移开始,回到同侧最大偏移为一次全振动。

高考考点:为什么要测多次全振动取平均?减小反应时间误差。

误差分析

g 偏大:L 测量偏小(忘加球半径)或 T 测量偏小(计数多算)。

g 偏小:L 测量偏大或 T 测量偏大(计数少算)。

摆角过大:周期偏大 → g 偏小。

考点提醒:摆线太短或用橡皮线会导致什么后果?

典型例题

题目:测得 L=80.0cm 时,30 次全振动 t=53.86s。球径 d=2.00cm。求 g。

摆长 L = 80.0cm(已含球半径)
T = t/n = 53.86/30 = 1.795 s
T² = 3.222 s²
g = 4π²L/T² = 4×9.870×0.800/3.222
g = 9.77 m/s²
偏差 = (9.80-9.77)/9.80 = 0.3%
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