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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
某同学利用如图($a$)所示的实验装置来测量重力加速度大小$g$。细绳跨过固定在铁架台上不可转动的小圆柱体,两端各悬挂一个重锤。实验步骤如下:
①用游标卡尺测量遮光片的宽度$d$。
②将遮光片固定在重锤$1$上,用天平测量重锤$1$和遮光片的总质量$m$、重锤$2$的质量$M(M\gt m)$。
③将光电门安装在铁架台上,将重锤$1$压在桌面上,保持系统静止,重锤$2$离地面足够高。用刻度尺测量遮光片中心到光电门的竖直距离$H$。
④启动光电门,释放重锤$1$,用毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间$t$。
⑤根据上述数据求出重力加速度$g$。
⑥多次改变光电门高度,重复步骤,求出$g$的平均值。
回答下列问题:
测量$d$时,游标卡尺的示数如图($b$)所示,可知 $\rm cm$。
根据游标卡尺的读数规律,该游标卡尺的读数为$5\;\rm mm+0.05\times3\;\rm mm=5.15\;\rm mm=0.515\;\rm cm$
重锤$1$通过光电门时的速度大小为$v=$ (用遮光片$d$、$t$表示)。若不计摩擦,$g$与$m$、$M$、$d$、$t$、$H$的关系式为 。
根据光电门的测速原理,重锤$1$通过光电门时的速度大小为$v=\dfrac{d}{t}$
对重锤$1$与重锤$2$构成的系统进行分析,根据系统机械能守恒定律有$(M-m)gH=\dfrac{1}{2}(M+m)v^{2}$
其中$v=\dfrac{d}{t}$
解得$g=\dfrac{(M+m)d^{2}}{2(M-m)Ht^{2}}$
实验发现,当$M$和$m$之比接近于$1$时,$g$的测量值明显小于真实值。主要原因是圆柱体表面不光滑,导致跨过圆柱体的绳两端拉力不相等。理论分析表明,圆柱体与绳之间的动摩擦因数很小时,跨过圆柱体的绳两端拉力差$\Delta T=4\gamma\dfrac{Mm}{M+ m}g$,其中$\gamma$是只与圆柱体表面动摩擦因数有关的常数。保持$M+m=2m_{0}$不变,其中$M=(1+\beta)m_{0}$,$m=(1 − \beta)m_{0}$。$\beta$足够小时,重锤运动的加速度大小可近似表示为$a=(\beta − \gamma)g$。调整两重锤的质量,测得不同$\beta$时重锤的加速度大小$a$,结果如下表。根据表格数据,采用逐差法得到重力加速度大小$g=$ ${\text{m}}/{\text{s}^{2}}$(保留三位有效数字)。
$\beta$ | $0.04$ | $0.06$ | $0.08$ | $0.10$ |
$a/(\rm m/s^{2})$ | $0.084$ | $0.281$ | $0.477$ | $0.673$ |
由于$\gamma$是只与圆柱体表面动摩擦因数有关的常数,且有$a=(\beta-\gamma)g=g\beta-g\gamma$
取表格从左至右四组数据分别为$a_{1}$,$ a_{2}$,$ a_{3}$,$ a_{4}$和对应的$\beta_{1}$,$ \beta_{2}$,$\beta_{3}$,$\beta_{4}$
利用表格中的数据,根据逐差法有$a_{4}+a_{3}-a_{2} − a_{1}=(\beta_{4}+\beta_{3}-\beta_{2} − \beta_{1})g$
带入数据可则重力加速度$g=9.81\;\rm m/s^{2}$
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