高中 | 测量平均速度和瞬时速度 题目答案及解析

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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

某同学通过观察小球在黏性液体中的运动,探究其动力学规律,步骤如下:

用螺旋测微器测量小球直径$D$如图$1$所示,$D=$                 $\;\rm mm$

[["$2.207/2.206/2.205$"]]

根据图$1$可知小球直径$D=2\;\rm mm+20.7\times 0.01\;\rm mm=2.207\;\rm mm$

在液面处由静止释放小球,同时使用频闪摄影仪记录小球下落过程中不同时刻的位置,频闪仪每隔$0.5\;\rm s$闪光一次。装置及所拍照片示意图如图$2$所示(图中的数字是小球到液面的测量距离,单位是$\rm cm$)。根据照片分析,小球在$A$$E$两点间近似做匀速运动,速度大小$v=$                 $\;\rm m/s$(保留$2$位有效数字);

[["$0.010$"]]

由图$2$可知$A$$E$两点间的距离为$x=(7.02 − 5.00) \times 10^{-2}\;\rm m=2.02\;\rm m$

时间为$t=4t_{0}=4 \times 0.5\;\rm s=2\;\rm s$

所以速度为$v=\dfrac{x}{t}=\dfrac{2.02 \times 10^{- 2}\;\rm {m}}{2\;\rm {s}} \approx 0.010\;\rm{m/s}$

小球在液体中运动时受到液体的黏滞阻力$f=kDv$$k$为与液体有关的常量),已知小球密度为$\rho$,液体密度为$\rho_{0}$,重力加速度大小为$g$,则$k$的表达式为$k=$                 (用题中给出的物理量表示);

[["$\\dfrac{\\left( \\rho-\\rho_{0} \\right)g\\pi D^{2}}{6v}$"]]

小球匀速运动,根据受力平衡有$\rho gV=\rho_{0}gV+f$

求得体积公式为$V=\dfrac{4}{3}\pi R^{3}=\dfrac{4}{3}\pi\left( \dfrac{D}{2} \right)^{3}$

整理可得$k=\dfrac{\left( \rho-\rho_{0} \right)gV}{Dv}=\dfrac{\left( \rho-\rho_{0} \right)g\pi D^{2}}{6v}$

为了进一步探究动力学规律,换成直径更小的同种材质小球,进行上述实验,匀速运动时的速度将                 (填“增大”“减小”或“不变”)。

[["减小"]]

根据($4$)可知$v ∝ D^{2}$,所以换成直径更小的同种材质小球,速度将减小。

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