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高中 | 单摆的周期题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-4
第十一章 机械振动
11.4 单摆
单摆的周期
公路在通过小型水库泄洪闸的下游时常常要修建凹形路面,也叫“过水路面”,如图汽车通过凹形路面。某兴趣小组,想通过所学知识测量过水路面的半径,他们设想的办法是,通过查阅比对图示照片的汽车真实车身长度平均值约为$4400$毫米,测得照片中的车身长度约为$22.0$毫米。并根据估算的比例制作了图示模型,表面打磨的很平滑。$O$点是设想中模型$AB$弧的圆心位置$(AB$弧长远小于模型半径$R)$,$C$点是圆弧的最低点位置。另准备的实验器材是手机和一个直径很小的铁球。实验步骤如下,请予以完善,并回答有关问题:
①将模型放在水平桌面上,并调整模型水平,将铁球放到$AB$弧上,如果铁球静止时球心位置在$C$点左侧上方,可以在 $(A$端,$B$端)下方垫加小纸片,使铁球静止时球心位置在$C$点正上方即可。
②将手机闹钟功能中选择秒表功能,并回零。
③从$A$点释放铁球,铁球球心第一次通过初始静止时的位置开始计时,第$n$次$(n$大于$20)$通过该点时结束计时,手机秒表记得的时间为$t$。
④查阅当地重力加速度,记录为$g$。
问题$1$:根据以上实验数据,铁球往复运动的周期$T=$ ;请写出过水路面半径的表达式$r=$ ;
问题$2$:实验中发现,铁球往复运动的幅度越来越小,铁球往复运动的周期 $($填“变大”、“变小”或“不变”);
问题$3$:实验中如果没有调节模型水平,其他步骤相同,与调节模型水平测量的结果比较,在误差允许范围内$r$的测量 $($填“偏大”、“偏小”或“不变”)。
①如果铁球静止时球心位置在$C$点左侧上方,说明右侧偏高,可以在$A$端下方垫加小纸片,使铁球静止时球心位置在$C$点正上方即可。
④由题意可知在时间内摆球全振动的次数为$\dfrac{n-1}{2}$,则铁球往复运动的周期$T=\dfrac{t}{\dfrac{n-1}{2}}=\dfrac{2t}{n-1}$
根据$T=2\pi\sqrt{\dfrac{R}{g}}$
又有$\dfrac{R}{r}=\dfrac{22}{4400}=\dfrac{1}{200}$
则过水路面半径的表达式$r=\dfrac{200gt^{2}}{{(n-1)}^{2}\pi^{2}}$。
周期与往复运动的幅度无关,故铁球往复运动的周期不变$.$
根据上述公式可知,实验中如果没有调节模型水平,其他步骤相同,手表记录的时间$t$不变,与调节模型水平测量的结果比较,在误差允许范围内$r$的测量不变。
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