用单摆测量重力加速度的大小 专项训练（学生版）-2025年高考物理一轮复习

考点31用单摆测量重力加速度的大小

IK考情探究,

i.高考真题考点分布

题型考点考查考题统计

实验题用单摆测量重力加速度的大小2024年广西卷

实验题用单摆测量重力加速度的大小2023年河北卷、重庆卷、全国新课标卷

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。

12.考点梳理|・

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

174砂/

当摆角很小时，单摆做简谐运动，其运动周期为7=2兀由此得到8=二二，因此，只要测出摆长/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。

y

铁架台摆线

标记。摆球

(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乙用游标卡尺测出金属小球的直径，即得出金属小球半径心计算出摆长/=

(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7。

(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7=彳求出周期，算出三次测得的周期的平均值，然后利用公式g=N求重力加速度。

(2)图像法：根据测出的一系列摆长/对应的周期7,作的图像，由单摆周期公式得/=鸟/,图像应是

4兀2

一条通过原点的直线，如图所示，求出图线的斜率品即可利用g=4砂左求重力加速度。

6.误差分析

产生原因减小方法

测量时间(单摆周期)及摆长时①多次测量求平均值

偶然误差

产生误差②从摆球经过平衡位置时开始计时

①摆球要选体积小，密度大的

系统误差主要来源于单摆模型本身

②最大摆角要小于5。

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心用游标卡尺测量小球的直径，然后算出摆球的半径『，则

摆长1=1'+人

(5)一般选用1m左右的细线。

!考点精讲I

考点一教材原型实验

典例引领

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。

粗的金属杆

Q

c.一弹性棉绳

"塑料球

（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"=mm。周期公式中的/是单摆的摆

长，其值等于摆线长与.之和（用d表不）o

234cm

05101520

甲

⑶实验中多次改变摆线长度，并测得对应的周期7,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"一”"——"或"号"）。

gg4小

乙

即时检测

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。

⑴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乙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f=37.5s,得到单摆的振动周

期7=—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；

⑶以片为横轴、工为纵轴，做出工一片图像，如图丙所示。己知图像与横轴的截距为°、与纵轴的截距为一

b,则测量出的重力加速度8=;（用。、6和兀表示）

⑷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）。

典例引领

3.某同学在"用单摆测定重力加速度”的实验中

⑴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，他测出多组摆线长工与周期7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%2=%86,结果保留三位

有效数字）

⑶如果该同学测得的g值偏大，可能的原因是

fr2/s2

-i.ooo99.0Z/cm

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

即H建测

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。

⑴将单摆正确悬挂后进行如下操作，其中正确的是o

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/和对应的周期T,得到多组数据，作出了/-片图像，如图乙所示。他认为根

4兀2b

据图线可求得重力加速度g=---------，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

a2-ax

重力加速度g真实值（选填"大于""等于"或"小于"）。

⑶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

2

r=27i^l+^-sin1^o他测出摆长为/的同一单摆在不同最大摆角。时的周期7,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6,则重力加速度的测量值8=（用题

中所给字母兀、/、6表示）。

!考点精讲I

考点二创新实验方案

典例引领

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2；

0cm12

0510

（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/,重复实验操作，得到多组数据，画出对应的2的图像，算出图像的斜率为匕则重力

加速度g的表达式为o（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/做了一个标记，实验中保

持标记/点以下细线长度不变，通过改变悬点。、/间细线长度改变摆长。实验中，测得悬点。到/点的

距离为4时对应的周期为工，悬点。到/点的距离为4时对应的周期为％,由此可测得当地的重力加速

度8=（用4、L〉7；、心表示）。

即阻拽测

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0,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d,光电门记录小球的遮光时间为

，，试回答以下问题：

1

甲

⑴用游标卡尺测量小球的直径如图乙所示，则小球的直径"=mm；

⑵小球从释放位置运动至最低点时的速度为丫=；（用题中相关物理量的字母表示）

⑶多次改变。的数值，重复以上实验过程并测量对应的得到击随COS。变化的关系如图丙所示，该

图线斜率的绝对值为左，可计算得重力加速度g=。（用左、/和d表示）

考向2实验器材的创新

典例引领

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,金属小球半径为厂，图中小球两侧为光电计数器。请回答下列问题:

⑴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。

⑵等效摆长乙=（用题目中的物理量符号表达）；

⑶如图乙是用游标卡尺测量小球的直径则小球的直径是cm；

⑷根据实验中测得的数据，画出图象如图丙所示，取万=3.14,根据图象，可求得当地的重力加速度

大小为m/s?（保留三位有效数字）；

即时检测

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

的倾角凡能求出等效重力加速度。的大小，测量不同倾角下的单摆周期7,便能检验7与。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:

图（b）水平放置的杆线摆图（c）倾斜放置的杆线摆

（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

广，则该倾斜平面与水平面的夹角6=90。-/。则等效重力加速度的大小（用g、尸表示）；

（2）单摆周期7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3则单

摆周期7=（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e的值及在该倾角下单摆的

周期7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o

I、.好题冲关，

基础过关

9.在"用单摆测量重力加速度"的实验中：

⑴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

（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d,示数如图

甲所示，则"=mm；

2cm

III]l_LL]]I」」」」」_LI

iIil'「「『i'「

010

甲

⑶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N次全振动的时间为乙由本次实验数据可求得8=（用/、d、N、t蓑

示）；

⑷若某次实验测得g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

⑸改变摆线长度/,重复实验，测得每次实验时单摆的振动周期7,作出产"图像为图乙中的

（选填""""或"c"）。

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。

o

⑴用刻度尺测量悬线的长4,将挂件拉开一个不大于5。的角度后释放，用秒表测出30次全振动的总时间

f=54.6s,则挂件振动的周期4=s„

（2）改变悬线的长，并测出悬线长右，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

S=（用4、4、（、石表示）。

⑶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工及对应的挂件振动的周期7,作叱-Z图

像，得到的图像是一条（填“过原点"或"不过原点"）的倾斜直线，若图像的斜率为左，则当地的重

力加速度为g=。

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A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乙两细线保持自

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。

⑴用10分度的游标卡尺测量小球A的直径力游标卡尺的示数如图（b）所示，读出"=mm；

⑵A、B球质量分布均匀，碰撞时，要发生速度交换，则加A加B（选填"＞或

⑶在满足（2）的条件下，得到的图（C）是与拉力传感器连接的计算机屏幕所显示的尸一图像，根据图像

可知摆球A的运动周期7=,测得重力加速度8=（用乙、4、表示）。

12.某研究小组用图1所示的装置进行"用单摆测量重力加速度”的实验。

图1图2图3

⑴用游标卡尺测量摆球直径，如图2所示，则摆球的直径"=mm。

⑵甲同学测得摆长为/,记录下摆球〃次全振动的时间为可以测得重力加速度g=（用/、"、人

兀表示）。

⑶为提高测量准确度，乙同学多次改变单摆的摆长I并测得相应的周期T,他根据测量数据画出如图3所

示的72T图像，根据图线上任意两点/、3的坐标（人邛）、心，可求得重力加速度g=（用

4、工、4、T〉兀表示）；该图像不过原点的原因可能是.

A.测周期时，将49次全振动记为50次

B.测周期时，将50次全振动记为49次

C.测摆长时，直接将悬点到小球上端的距离记为摆长

D.测摆长时，直接将悬点到小球下端的距离记为摆长

⑷丙同学为了研究"单摆做简谐运动的周期与重力加速度的定量关系"，在伽利略用斜面"冲淡"重力思想的

启发下，创设了"重力加速度"可以人为调节的实验环境：如图4所示，在水平地面上固定一倾角。可调的

光滑斜面，把摆线固定于斜面上的。点，使摆线平行于斜面。拉开摆球至4点，静止释放后，摆球在

N2C之间做简谐运动，测得摆角为口、摆球的摆动周期为兀多次改变斜面的倾角重复实验，记录

9、1和？，为了能方便准确地利用图像处理数据进而获得结论，应绘制_____图像（写出图像的纵坐标一

横坐标）。

图4

!能力提刑

13.某同学利用如图甲所示装置测量重力加速度g。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另端连接一小

钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动记录钢球摆动过程中

拉力传感器示数的最大值Max和最小值蓍改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在

直角坐标系中绘制的图像是一条直线，如图乙所示：

0.000.050.100.150.207Vn/N

图甲图乙

⑴拉力传感器示数的最大值心、最小值1m、小球质量加以及重力加速度g的关系为】ax=o

（2）若小球质量机=60g,由图乙可得重力加速度g的数值为m/s?（结果保留三位有效数字）。

⑶由图乙可得Max图像直线的斜率与理论值之差的绝对值为（结果保留一位小数），导致该差值

的主要因素为。

14.某同学做“用单摆测定重力加速度”的实验。

（1）如图甲所示，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乙所

示，则秒表的示数为s„

⑵①如果某同学在实验时，用的摆球质量分布不均匀，无法确定其重心位置。他第一次量得悬线长为右

（不计摆球半径），测得周期为第二次量得悬线长为心，测得周期为根据上述数据可求得g值

为o

4/斥4/（〜4）4/（4+4）4/（叩一硝

TJ2T^+Tl右一乙

②该同学又想出另一个办法测量重力加速度，他测出多组摆线长工与周期7的数据，根据实验数据，作

出了尸】的关系图像如图丙所示，理论上是一条过坐标原点的直线，根据图中数据，可算出重力加

速度的值为m/s2（取/=9.86,结果保留三位有效数字），仅考虑该数据处理方法，他得到的加速度

g与真实值相比（选填"偏大""偏小"或"相同"）。

r2/s2

-1.00O99.0Z/cm

丙

15.在"单摆测重力加速度”的实验中，某同学想到利用手机传感器、小铁球、小磁粒进行以下实验:

①如图1（a）所示将小磁粒吸附在小铁球正下方使小磁粒轴线与摆线共线，用铁夹将摆线上端固定在铁

架台上，组装完成的实验装置如图1（b）所示；

②用刻度尺测量摆线长度为I,没有测量小铁球直径和小磁粒的厚度；

③将手机磁传感器置于小磁粒平衡位置正下方，利用磁传感器测量磁感应强度随时间的变化；

④将带有小磁粒的铁球由平衡位置拉开一个小角度，由静止释放，运行手机软件记录磁感应强度的变化曲

线如图2所示。

试回答以下问题：

⑴由图2可知，单摆的周期为；

⑵改变摆线长度/,重复步骤②③④的操作，可以得到多组周期T和摆线长度/的值，以（选填

"厂'"（"或者"72"）为纵坐标，/为横坐标，描点作图。若得到的图像如图3所示，图像的斜率为九则重

力加速度的测量值为;

⑶使用上述数据处理方法，在不考虑其他测量误差的情况下，步骤②的操作对重力加速度的测量值_____

（选填"有"或"无"）影响。

16.如图（a）所示，某兴趣小组用单摆测量重力加速度。选用的实验器材有：智能手机、小球、细线、

铁架台、夹子、游标卡尺、刻度尺等，实验操作如下：

①用铁夹将细线上端固定在铁架台上，将小球竖直悬挂；

②用刻度尺测出摆线的长度为I,用游标卡尺测出小球直径为d；

③将智能手机置于小球平衡位置的正下方，启用APP《手机物理工坊》"近距秒表"功能；

④将小球由平衡位置拉开一个角度（e<5。），静止释放，软件同时描绘出小球与手机间距离随时间变化的

图像，如图（b）所示。请回答下列问题：

⑴根据图（6）可知，单摆的周期T=So

（2）改变摆线长度/,重复步骤②、③、④的操作，可以得到多组7和/的值，进一步描绘出如图（c）的

图像，则该图像以为横坐标（选填""或"/"）,若图线的斜率为左，则重力加速度的测

量值为。（用所测量字母/、d或八0、人等进行表示）

真题感知

9.（2024年湖北高考真题）某同学设计了一个测量重力加速度大小g的实验方案，所用器材有：2g祛码

若干、托盘1个、轻质弹簧1根、米尺1把、光电门1个、数字计时器1台等。

具体步骤如下：

①将弹簧竖直悬挂在固定支架上，弹簧下面挂上装有遮光片的托盘，在托盘内放入一个祛码，如图（a）

所示。

②用米尺测量平衡时弹簧的长度/,并安装光电门。

③将弹簧在弹性限度内拉伸一定长度后释放，使其在竖直方向振动。

④用数字计时器记录30次全振动所用时间t。

⑤逐次增加托盘内祛码的数量，重复②③④的操作。

该同学将振动系统理想化为弹簧振子。已知弹簧振子的振动周期7=2肛陷，其中左为弹簧的劲度系数,