模型36 類單擺問題（原卷版）-2025版高考物理熱點模型精-品講義

模型36類單擺問題01模型概述01模型概述1.對l、g的理解1)公式中l(wèi)是擺長，即懸點到擺球球心的距離。①普通單擺，擺長，l′為擺線長，D為擺球直徑。②等效擺長：(a)圖中，甲、乙在垂直紙面方向上擺動起來效果是相同的，甲擺的等效擺長為lsinα，其周期。(b)圖中，乙在垂直紙面方向擺動時，其等效擺長等于甲擺的擺長；乙在紙面內(nèi)小角度擺動時，等效擺長等于丙擺的擺長。2)等效重力加速度①公式中g(shù)是單擺所在地的重力加速度，由單擺所在的空間位置決定。②等效重力加速度：一般情況下，公式中g(shù)的值等于擺球靜止在平衡位置時，擺線的拉力與擺球質(zhì)量的比值。如圖中等效重力為，其周期2.幾種類單擺模型1）一切在豎直放置的光滑圓弧形內(nèi)軌道上的小幅度振動(運動范圍遠(yuǎn)小于圓弧半徑)都可以等效成單擺模型，其等效擺長l即為圓弧半徑R，質(zhì)點的振動周期為2)非慣性參考系中的單擺周期公式適合于慣性系中單擺在豎直平面內(nèi)做小幅振動的情況，如果單擺處于做勻變速運動的非慣性參考系中，仍可類比豎直平面內(nèi)的單擺，通過求解平衡位置（相對參考系靜止的位置）時細(xì)線拉力的平衡力而得到等效重力加速度。①參考系具有豎直方向的加速度時如：在一升降機(jī)中有一擺長為L的單擺，當(dāng)升降機(jī)以加速度a豎直向上勻加速運動時，如圖所示,平衡位置仍在懸點正下方,根據(jù)牛頓第二定律易知擺球靜止在平衡位置時，擺線拉力FT的平衡力F=mg+ma，等效重力加速度，故其振動周期同理知，當(dāng)升降機(jī)以加速度a減速上升時單擺振動周期。②參考系具有水平方向加速度時如：在沿水平路面向左勻加速行駛的車廂內(nèi)有一單擺，當(dāng)它做小幅振動時，平衡位置（相對車廂靜止的位置）不在懸點正下方，根據(jù)受力分析知擺球靜止在平衡位置時，擺線拉力的平衡力，F(xiàn)產(chǎn)生的等效重力加速度，故此單擺的振動周期。3）復(fù)合場中的單擺①在重力場和電場中的單擺如：單擺處于豎直向下的科強(qiáng)電場中，擺球的平衡位置在懸點的正下方，帶正電的擺球靜止在平衡位置時，擺線拉力FT的平衡力，所以等效重力加速度，振動周期。如圖所示，單擺處于水平向右的勻強(qiáng)電場中，擺球平衡位置與懸點的連線偏離豎直方向θ角（），當(dāng)擺球在平衡位置處于靜止時，擺線拉力FT的平衡力：，所以等效重力加速度，故其振動周期：。如：庫倫力始終沿著擺線方向，產(chǎn)生的等效重力加速度仍為g，故周期仍為。②在磁場與重力場中的單擺如：勻強(qiáng)磁場與單擺擺動平面垂直，擺球的平衡位置仍在懸點正下方，當(dāng)擺球在平衡位置靜止時，擺線拉力與重力平衡，F(xiàn)=mg,擺動時受到洛倫茲力始終與速度方向垂直沿著擺線，產(chǎn)生的等效重力加速度仍為g，故周期仍為。02典題攻破02典題攻破1.等效擺長問題【典型題1】（2024·廣東·模擬預(yù)測）如圖，用兩根完全相同、不可伸長的輕繩將小沙包（大小可忽略）對稱地吊在空中，輕推小沙包，測得其在垂直紙面平面內(nèi)做簡諧運動的周期為（已知在一根豎直繩懸掛下做簡諧運動的小物體的周期為，l為繩長，g為重力加速度），已知每根輕繩的長度為L，小沙包的質(zhì)量為m，則小沙包靜止時，每根繩子張力為（

）A． B． C． D．

2.等效重力加速度問題【典型題2】（2024·湖南長沙·一模）如圖所示，小球懸掛在箱子頂端的拉力傳感器上，球心到懸掛點的距離為L，當(dāng)箱子沿豎直方向做變速運動時，傳感器的示數(shù)會變大或者變小，當(dāng)箱子的加速度向上為a時，可認(rèn)為重力加速度由g變?yōu)?，?dāng)箱子的加速度向下為a時，可認(rèn)為重力加速度由g變?yōu)椋∏蚝孟裉幵谝粋€重力加速度為的環(huán)境里，可把這個稱為等效重力加速度。下列說法正確的是（

）A．當(dāng)箱子向上做減速運動時，等效重力加速度大于重力加速度gB．當(dāng)箱子向上的加速度等于3g時，且小球做單擺運動（最大擺角小于5°），則小球的運動周期為C．當(dāng)箱子向上的加速度等于3g時，同時小球在箱子中做單擺運動（最大擺角小于5°），則運動過程小球的機(jī)械能守恒D．拉力傳感器的示數(shù)F與小球的重力的合力與小球的質(zhì)量m之比等于等效重力加速度【典型題3】（2023·北京·模擬預(yù)測）在光滑水平面上的O點系一長為L的絕緣細(xì)線，線的另一端系一質(zhì)量為m、帶電量為q的小球。當(dāng)沿細(xì)線方向加上場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場后，小球處于平衡狀態(tài)，如圖所示?，F(xiàn)給小球一垂直于細(xì)線的初速度，使小球在水平面上開始運動。若很小，則小球第一次回到平衡位置所需時間為（）A． B． C． D．3.類單擺問題【典型題4】（2024·浙江湖州·二模）如圖甲，小球在光滑球面上的A、B之間來回運動。t=0時刻將小球從A點由靜止釋放，球面對小球的支持力大小F隨時間t變化的曲線如圖乙，若弧長AB遠(yuǎn)小于半徑，則（）

A．小球運動的周期為0.2πs B．光滑球面的半徑為0.1mC．小球的質(zhì)量為0.05kg D．小球的最大速度約為0.10m/s03針對訓(xùn)練03針對訓(xùn)練1．（2024·江蘇南通·模擬預(yù)測）如圖所示，小球在半徑為R的光滑圓弧軌道上A、B間來回運動，軌道弧長遠(yuǎn)小于R，則（）A．弧長AB變小，周期不變 B．弧長AB變小，周期變大C．小球質(zhì)量變小，周期變小 D．小球質(zhì)量變小，周期變大2．（2021·浙江寧波·模擬預(yù)測）如圖所示為相同的小球（可看作質(zhì)點）構(gòu)成的單擺，所有的繩子長度都相同，在不同的條件下的周期分別，關(guān)于周期大小關(guān)系的判斷，正確的是（）A． B．C． D．3．（2023·江蘇·模擬預(yù)測）一單擺在豎直平面內(nèi)做小角度擺動。擺球從左側(cè)最高點A運動到最低點C時，擺線被懸點O（未畫出）正下方的釘子P擋住，之后球運動到右側(cè)最高點B，該過程中的頻閃照片如圖所示，已知閃光的時間間隔相等，PC=l。則O、P兩點間的距離為（）A． B． C． D．4．（2024·江蘇南京·二模）如圖所示，一帶正電的小球用絕緣細(xì)繩懸于O點，將小球拉開較小角度后靜止釋放，其運動可視為簡諧運動，下列操作能使周期變小的是（）

A．增大擺長B．初始拉開的角度更小一點C．在懸點O處放置一個帶正電的點電荷D．在此空間加一豎直向下的勻強(qiáng)電場5．（2024·全國·模擬預(yù)測）如圖所示，有直角三角形光滑軌道框架，其中AB豎直。，光滑圓弧軌道CB為的外接圓上的一部分。小球1、2分別沿軌道AB、AC從A點由靜止開始運動，到B、C點對應(yīng)的時間分別為、，小球3沿軌道CB從C點由靜止開始運動，到B點的時間為；小球4在圓弧軌道CB上某一點（對應(yīng)的圓心角很?。┯伸o止開始運動，到B點的時間為。則下列時間的關(guān)系正確的是（）

A． B． C． D．6．（2024·湖北·二模）如圖所示，水平面上固定一半圓形凹槽，凹槽的質(zhì)量為，半圓弧的圓心為點，最低點為點，半徑為?，F(xiàn)將一質(zhì)量為的光滑小球從圓弧上的點釋放，已知與的夾角為，重力加速度為，小球大小可以忽略不計。從點運動到點的過程中，小球?qū)Π疾鄣膹椓Φ臎_量大小為（）A． B．C． D．7．（2024·江蘇蘇州·三模）如圖所示，單擺在光滑斜面上做簡諧運動，若要使其做簡諧運動的周期變大，可以（）A．使斜面傾角變大B．使單擺擺長變長C．使擺球質(zhì)量變大D．使單擺振幅變大8．（2024·河北張家口·三模）“桿線擺”結(jié)構(gòu)如圖所示，輕桿一端通過活動絞鏈與立柱垂直連接，另一端安裝質(zhì)量為m的擺球，細(xì)線一端拉住擺球，另一端系在立柱上的A點，給擺球一垂直于紙面的較小速度，使輕桿垂直于立柱來回擺動，擺動角度小于5°，擺球的運動軌跡被約束在一個傾斜的平面內(nèi)。已知立柱與豎直方向的夾角及細(xì)線與輕桿的夾角均為，重力加速度為g。下列說法正確的是（）A．?dāng)[球在擺動過程中細(xì)線上的拉力大小為B．?dāng)[球靜止在平衡位置時輕桿對擺球作用力大小為C．?dāng)[球向平衡位置運動過程中輕桿對球作用力增大D．若增大細(xì)線長度使A點上移則擺球運動周期增大9．（2024·貴州黔西·一模）（多選）如圖所示，一小球（質(zhì)量為m、電荷量為q）用長為L的絕緣輕質(zhì)細(xì)線懸掛于天花板上做單擺運動，此單擺可以視為簡諧運動，O點為最低點，周期為T。現(xiàn)給空間加上豎直方向的勻強(qiáng)電場，此時單擺的最大擺角不變，周期為2T。已知重力加速度為g，不計空氣阻力，下列說法正確的是（）A．電場方向豎直向下 B．電場強(qiáng)度大小為C．單擺做簡諧運動的周期與振幅無關(guān) D．單擺做簡諧運動的周期與振幅有關(guān)10．（2024·江西·一模）（多選）如圖所示為某演示機(jī)械能守恒的實驗示意圖。細(xì)繩的一端固定于O點，另一端系一個小球，擺長為l。在O點的正下方釘一個釘子A，已知，擺球質(zhì)量為m，小球從一定高度位置P擺下，擺角θ小于5°，向右擺到最高點Q，擺角也小于5°，不計阻力，重力加速度為g。下列說法正確的是（

）A．?dāng)[球受到繩子最大拉力為B．?dāng)[球到達(dá)最低點時，繩子拉力的功率為C．?dāng)[球擺動的周期為D．?dāng)[球從P到M和從Q到M過程中重力做功的平均功率相等11．（2024·云南曲靖·一模）（多選）惠更斯發(fā)現(xiàn)“單擺做簡諧運動的周期與重力加速度的二次方根成反比”。為了通過實驗驗證這一結(jié)論，某同學(xué)創(chuàng)設(shè)了“重力加速度”可以人為調(diào)節(jié)的實驗環(huán)境。如圖1所示，在水平地面上固定一傾角可調(diào)的光滑斜面，把擺線固定于斜面上的點，使擺線平行于斜面。拉開擺球至A點，靜止釋放后，擺球在之間做簡諧運動，擺角為。擺球自然懸垂時，通過力傳感器（圖中未畫出）測得擺線的拉力為，擺球擺動過程中，力傳感器測出擺線的拉力隨時間變化的關(guān)系如圖2所示，其中、、均已知。當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹椤Ｏ铝羞x項正確的是（）A．多次改變圖1中角的大小，即可獲得不同的等效重力加速度B．單擺次全振動的時間為C．多次改變擺角，只要得出就可以驗證該結(jié)論成立D．在圖2的測量過程中，滿足的關(guān)系12．（2024·重慶·一模）如圖，光滑圓槽的半徑L遠(yuǎn)大于小球運動的弧長。甲、乙、丙三小球（均可視為質(zhì)點）同時由靜止釋放，開始時乙球的位置B低于甲球位置A，甲球與圓心連線和豎直方向夾角為θ，丙球釋放位置C為圓槽的圓心，Q為圓槽最低點；重力加速度為g。若甲、乙、丙三球不相碰，求：（1）求甲球運動到O點速度大?。唬?）通過計算分析，甲乙丙三球誰先第一次到達(dá)O點；（3）若單獨釋放