上海市甘泉高中2019-2020学年物理沪科版选修3-4：1.3探究摆钟的工作原理 跟踪训练（含解析）

1.2探究摆钟的工作原理
1．单摆做简谐运动时，其回复力是（ ）
A．摆球所受的重力 B．悬线对摆球的拉力
C．摆球所受重力与悬线拉力的合力 D．摆球重力在垂直悬线方向上的分力
2．一单摆做小角度摆动，其振动图象如图，以下说法正确的是（ ）
A．时刻摆球速度为零，悬线对它的拉力为零
B．时刻摆球速度最大，悬线对它的拉力最大
C．时刻摆球速度最大，悬线对它的拉力最小
D．时刻摆球速度最小，悬线对它的拉力最大
3．对单摆的简谐运动有下列说法，其中正确的是
A．单摆摆动中，摆球所受的绳的拉力与重力的合力就是向心力
B．单摆摆动中，摆球所受的绳的拉力与重力的合力就是回复力
C．单摆经过平衡位置时所受的合外力为零
D．单摆经过平衡位置时所受的回复力为零
4．关于简谐运动，下列说法正确的是(　　)
A．在平衡位置所受的合外力一定为零
B．在平衡位置时势能一定为零
C．单摆的回复力是重力和悬线拉力的合力
D．振幅与最大位移不相同
5．做简谐运动的物体经过平衡位置时(　 　)
A．速度为零 B．加速度为零 C．合力为零 D．位移为零
6．用一根细线悬挂一个质量大、直径小的小球，当细线的质量和小球的尺寸完全可以忽略时，把这个装置叫单摆，这里的物理科学方法是（ ）
A．等效替代法 B．控制变量法 C．理想模型法 D．比值定义法
7．一单摆的摆长为90cm，摆球在t=0时刻正从平衡位置向右运动，（g取10m/s2），则在t=1s时摆球的运动情况是（ ）
A．正向左做减速运动，加速度正在增大
B．正向左做加速运动，加速度正在减小
C．正向右做减速运动，加速度正在增大
D．正向右做加速运动，加速度正在减小
8．如图所示，单摆摆球的质量为m，做简谐振动的周期为T，摆球从最大位移A处由静止开始释放，运动到最低点B时的速度大小为v。则摆球从A运动到B的过程中，下列说法正确的是
A．摆球重力做功为
B．摆球受到的合力的平均功率为
C．摆球运动到B点时重力的瞬时功率为
D．摆球受到的合力提供圆周运动的向心力
9．某同学在实验室做了甲、乙两个单摆，它们都做简谐运动，振动图像如图所示，下列有关说法正确的是（ ）
A．甲、乙两单摆的摆长相等
B．单摆甲的机械能比单摆乙的机械能大
C．从t=0至t=0.5s时间内，单摆乙做减速运动，切向加速度逐渐增大
D．在t=4.5s时，单摆甲有最小的动能
E.在t=2.5s时，具有正向最大加速度的是单摆乙
10．如图所示为同一地点的两单摆甲、乙的振动图象，下列说法中正确的是
A．甲、乙两单摆的摆长相等
B．甲摆的振幅比乙摆大
C．甲摆的机械能比乙摆大
D．在t=0.5 s时有正向最大加速度的是乙摆
11．一单摆的振动图像如图所示，下列说法中正确的是(　　)
A．t＝0.5 s时，摆球处于平衡状态
B．t＝1.0 s时，摆球处于平衡状态
C．t＝2.0 s时，摆球处于平衡位置
D．摆球摆动过程中，在任何位置都不是平衡状态
E. t＝1.0 s时，摆线所受拉力最大
12．在“利用沙摆描绘振动图象”的实验中，将细沙倒在漏斗中，当细沙漏出的同时，让沙摆摆动起来，一段时间后，形成的长条形沙堆如图1所示：两边高且粗，中间低且细．
①如果在沙摆摆动的同时匀速拉动下方纸板（纸板上的虚线位于沙漏静止时的正下方），则一段时间后，形成如图2所示的曲线沙堆．分析可知，曲线沙堆在与虚线垂直距离__________（选填“近”或“远”）的位置低且细．
②图3为图2中纸板上曲线沙堆的俯视图，沿沙摆振动方向建立x轴，沿方向建立t轴，就利用沙堆曲线得到了沙摆的振动图象．请说明为什么要匀速拉动下方纸板．____
13．（1）一灵敏电流计（电流表），当电流从它的正接线柱流入时，指针向正接线柱一侧偏转．现把它与一个线圈串联，试就如图中各图指出：
①图（a）中灵敏电流计指针的偏转方向为________________（填“偏向正极”或“偏向负极”）。
②图（b）中磁铁下方的极性是________（填“N极”或“S极”）。
（2）利用盛沙的漏斗演示简谐振动，如果考虑漏斗里砂子逐渐减少，则沙摆的周期将_______。
A．逐渐增大 B．逐渐减少 C．先增大后减少 D．先减小后增大
14．如图所示为甲乙两个单摆的振动图像，由图可知：
①甲乙两个单摆的摆长之比为_________
②以向右为单摆偏离平衡位置位移的正方向，从t=0时刻起，当甲第一次到达右方最大位移时，乙偏离平衡位置的位移为___________cm
参考答案
1．D
【解析】
摆球的回复力不是所受重力和摆线作用于摆球的拉力，也不是两个力的合力，而是摆球所受重力沿圆弧切线方向的分力．故D正确，ABC错误．
故选D．
点睛：回复力可以是合外力，其不单纯是指某一个力．它是根据力的作用效果“总是要把物体拉回到平衡位置”命名的；回复力不是一种特殊性质的力．但回复力也不一定就是合外力．
2．B
【解析】
由图读出时刻位移最大，说明摆球在最大位移处，速度为零，悬线对它的拉力最小，A错误；由图读出时刻位移为零，说明摆球在平衡位置，摆球速度速度最大，悬线对它的拉力最大，B正确；由图读出时刻位移最大，说明摆球在最大位移处，速度为零，悬线对它的拉力最小，C错误；由图读出时刻位移为零，说明摆球在平衡位置，摆球速度速度最大，悬线对它的拉力最大，D错误．
【点睛】根据位移情况分析摆球的位置，分析摆球的速度和拉力大小．当摆球在平衡位置时速度最大，悬线对它的拉力最大；当摆球在最大位移处速度为零，悬线对它的拉力最小．
3．D
【解析】
当单摆的摆角较小时，摆球的回复力由重力沿摆球运动轨迹切向的分力提供，是摆球所受的绳的拉力与重力的合力沿切线方向的分量，故A B错误；单摆运动中，摆球在最低点做圆周运动，所以摆球经过平衡位置时所受的合外力提供小球的向心力，故C错误；摆球经过平衡位置时所受的合外力提供小球的向心力，而摆球的回复力等于0，故D正确，故选D.
4．D
【解析】平衡位置是振动物体在振动方向上所受回复力为零的位置，不一定所受的合外力为零，故选项A错误；势能的大小与零势面的选取有关，规定的零势面位置不同时，对同一物体来说在同一位置的势能可能不同，选项B错误；单摆的回复力F回＝mgsin θ，即重力在切线方向上的分力，选项C错误；振幅是振动物体离开平衡位置的最大距离，是标量，最大位移是矢量，因此二者不同，选项D正确；故选D．
5．D
【解析】
简谐运动的位移是相对平衡位置的，故每次经过平衡位置时的位移为零，据F=-kx可知，恢复力为零；在如单摆模型在平衡位置时，合力不为零，其加速度也不为零；而弹簧振子在平衡位置时，合力一定为零，加速度一定为零，综上可知，D正确．
6．C
【解析】
单摆”等都是为了研究问题简单而引入的理想化的模型，所以它们从科学方法上来说属于建立模型，所以C正确．
A．等效替代法，与结论不相符，选项A错误；
B．控制变量法，与结论不相符，选项B错误；
C．理想模型法，与结论相符，选项C正确；
D．比值定义法，与结论不相符，选项D错误；
故选C．
7．A
【解析】
摆长L=90cm=0.90m，单摆的周期，
因t=1s，则；当摆球在t=0时刻正从平衡位置向右运动，在t=1s时已经返回并越过平衡位置（最低点），正向左侧最大位移处运动，由平衡位置向最大位移运动的过程中，摆球做的是减速运动，加速度逐渐增大．故A正确，BCD错误．故选A．
8．A
【解析】
重力做功与路径无关只与高度差有关，也可以运动动能定理求解；
根据公式来判断瞬时功率；
小球不是做匀速圆周运动，不是合力提供向心力；
【详解】
A、摆球从最大位移A处由静止开始释放，摆球运动到最低点B，根据动能定理得：，故A正确；
B、整个过程中只有重力做功，则合力做功的平均功率为：，故选项B错误；
C、根据瞬时功率的公式，摆球运动到B时的速度方向是水平的，即，所以重力的瞬时功率是0，故C错误；
D、对小球进行受力分析，将重力分解如图所示：
可知由拉力T和重力分力的合力提供向心力，故选项D错误。
【点睛】
本题需要区分平均功率和瞬时功率的求解方法，同时注意小球做单摆运动，不是匀速圆周运动，沿圆心方向的合力提供向心力。
9．ACE
【解析】
A．由题图可知甲、乙两单摆周期相等，则摆长相等，故A正确；
B．两单摆质量关系不明确，无法比较它们的机械能的大小，故B错误；
C．从至s时间内，单摆乙从平衡位置向负向最大位移处运动，位移逐渐增大，切向加速度逐渐增大，加速度方向与速度方向相反，做减速运动，故C正确；
D．在s时，单摆甲有最大的动能，其周期为s，经过半个周期的整数倍，单摆甲都有最大动能，即在s时单摆甲有最大动能，故D错误；
E．s时单摆乙在负向最大位移处，故有正向最大加速度，一个周期后，在s时也有正向最大加速度，故E正确。
故选ACE。
【点睛】
本题只要掌握单摆的周期公式、加速度的特点等等，就能正确解答．由振动图象读出相关物理信息为重点。
10．ABD
【解析】
由图看出，两个单摆的周期相同，同一地点g相同，由单摆的周期公式 得知，甲、乙两单摆的摆长L相等．故A正确．甲摆的振幅为10cm，乙摆的振幅为7cm，则甲摆的振幅比乙摆大．故B正确．尽管甲摆的振幅比乙摆大，两摆的摆长也相等，但由于两摆的质量未知，无法比较机械能的大小．故C错误．在t=0.5s时，乙摆具有最大负向位移，由 可知，乙摆具有正向最大加速度．故D正确．
点睛：本题只要掌握单摆的周期公式、加速度的特点等等，就能正确解答．由振动图象读出振幅、周期是基本功，要熟练掌握．
11．CDE
【解析】
（1）由图像可知，t＝0.5 s时，摆球出现在最大位移处，回复力最大，加速度不为零，A错误；
（2）t＝1.0 s时，摆球处于平衡位置，水平方向不受外力，但由于摆球处于竖直平面圆周轨道的最低点，绳子拉力和重力的合力提供向心力，故合力不为零，B错误；
（3）t＝2.0 s时，摆球恰好经过平衡位置，C正确；
（4）摆球摆动过程中，受到的外力的合力始终不能为零，故在任何位置都不是平衡状态，D正确；
（5）t＝1.0 s时，摆球恰好出现在圆周轨道的最低点，速度最大，摆线所受拉力最大，E正确。
故本题正确答案为CDE。
12．近 当拉动木板的速度恒定时，木板的位移与时间成正比，这样建立的t轴才可以代表时间
【解析】
（1）沙摆在摆动的过程中，经过平衡位置速度最大，最大位移处速度为0，所以中间经过的时间少，沙少，两侧经历的时间多，沙多，故曲线沙堆在与虚线垂直距离近的位置低且细．（2）当拉动木板的速度恒定时，木板的位移与时间成正比，这样建立的t轴才可以代表时间.
13．偏向正极 S极 C
【解析】
（1）因为灵敏电流计（电流表），当电流从它的正接线柱流入时，指针向正接线柱一侧偏转，则①图（a）中N极向下插入时，根据楞次定律可知，灵敏电流计的电流从正极流入，则指针的偏转方向为偏向正极。②图（b）中电流计指针向负极偏转，可知电流从负极流入，根据楞次定律可知，磁铁下方的极性是S极。
（2）利用盛沙的漏斗演示简谐振动，如果考虑漏斗里砂子逐渐减少，则沙摆的摆长先增加后减小，根据 可知，单摆的周期先增加后减小，故选C.
14．①②
【解析】
试题分析：①从图像中可得，，根据单摆周期公式可得
②乙振动的角速度为，故乙振动的表达式为（m），当甲第一次到达右方最大位移时，经历的时间为1s，代入可得
考点：考查了单摆周期
【名师点睛】本题关键是根据位移时间关系图象得到两个单摆的振幅和周期的关系，然后结合周期公式进行分析；