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高中 | 测量平均速度和瞬时速度题目答案及解析如下,仅供参考!
必修1
第一章 运动的描述
1.4 实验:用打点计时器测速度
测量平均速度和瞬时速度
实验小组利用图$1$所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有:交流电源(频率$50\;\rm Hz$)、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。
下列所给实验步骤中,有$4$个是完成实验必需且正确的,把它们选择出来并按实验顺序排列: (填步骤前面的序号)
①先接通电源,打点计时器开始打点,然后再释放纸带
②先释放纸带,然后再接通电源,打点计时器开始打点
③用电子天平称量重锤的质量
④将纸带下端固定在重锤上,穿过打点计时器的限位孔,用手捏住纸带上端
⑤在纸带上选取一段,用刻度尺测量该段内各点到起点的距离,记录分析数据
⑥关闭电源,取下纸带
实验步骤为:将纸带下端固定在重锤上,穿过打点计时器的限位孔,用手捏住纸带上端,先接通电源,打点计时器开始打点,然后再释放纸带,关闭电源,取下纸带,在纸带上选取一段,用刻度尺测量该段内各点到起点的距离,记录分析数据,根据原理$mgh= \dfrac{1}{2}mv^{2}$可知质量可以约掉,不需要用电子天平称量重锤的质量。
故选正确且正确排序为④①⑥⑤。
图$2$所示是纸带上连续打出的五个点$A$、$B$、$C$、$D$、$E$到起点的距离。则打出$B$点时重锤下落的速度大小为 $\rm m/s$(保留$3$位有效数字)。
根据题意可知纸带上相邻计数点时间间隔$T =\dfrac{1}{f}=0.02\;\rm \text{s}$
根据匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度可得$v_{B}=\dfrac{h_{AC}}{2T}$
代入数据可得$v_{B}\approx 1.79\;\rm m/s$
纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度$h$,计算相应的重锤下落速度$v$,并绘制图$3$所示的$v^{2}-h$关系图像。理论上,若机械能守恒,图中直线应 (填“通过”或“不通过”)原点且斜率为 (用重力加速度大小$g$表示)。由图$3$得直线的斜率$k=$ (保留$3$位有效数字)。
根据$mgh= \dfrac{1}{2}mv^{2}$
整理可得$v^{2}=2g ⋅ h$
可知理论上,若机械能守恒,图中直线应通过原点,且斜率$k=2g$
由图$3$得直线的斜率$k=\dfrac{5.6-1.5}{0.295-0.08} \approx 19.0$
定义单次测量的相对误差$\eta=\left| \dfrac{E_{\text{p}}-E_{\text{k}}}{E_{\text{p}}} \right| \times 100\%$,其中$E_{\rm p}$是重锤重力势能的减小量,$E_{\rm k}$是其动能增加量,则实验相对误差为$\eta=$ $\times 100\%$(用字母$k$和$g$表示);当地重力加速度大小取$g=9.80\;\rm m/s^{2}$,则$\eta=$ $\%$(保留$2$位有效数字),若$\eta\lt 5\%$,可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒。
根据题意有$\eta=\dfrac{mgh- \dfrac{1}{2}mv^{2}}{mgh} \times 100\%$
可得$\eta=\dfrac{2g-k}{2g} \times 100\%$
当地重力加速度大小取$g=9.80\;\rm m/s^{2}$,代入数据可得$\eta\approx 3.1\%$。
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