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

某小组利用气垫导轨、两个光电门、滑块、遮光片等,组成具有一定倾角的导轨装置,研究机械能守恒定律。重力加速度$g$$9.80\;\rm m/s^{2}$

实验前,应合理安装实验器材。图($\rm a$)中光电门                 的位置安装不合理,应如何调整                 

[["$1$","适当向右移动光电门$1$"]]

光电门$1$安装不合理;

由图可知,光电门$1$靠近释放点,滑块到光电门$1$的距离较短,速度较小,导致滑块通过光电门$1$的速度测量误差较大。

实验时,导轨倾斜角的正弦值$\sin \theta=0.0613$,光电门$1$$2$相距$L$。将宽度$d=4.82\;\rm mm$的遮光片固定于滑块上,从导轨最左端静止释放滑块,分别记录遮光片通过光电门$1$$2$的时间$\Delta t_{1}$$\Delta t_{2}$。移动光电门$2$的位置改变$L$,重复实验,所测数据见下表。

$L/\text{cm}$$10.00$$15.00$$20.00$$25.00$$30.00$$60.00$$65.00$$70.00$
$\Delta t_{1}/\;\rm ms$$9.982$$9.883$$10.019$$10.068$$10.049$$10.073$$10.066$$10.170$
$\Delta t_{2}/\;\rm ms$$8.016$$7.578$$7.032$$6.583$$6.310$$4.938$$4.787$$4.677$

滑块经过光电门$1$$2$的速度分别为$v_{1}$$v_{2}$。当$L=65.00\;\rm cm$时,$v_{2}=$                 ,滑块通过两光电门下降的高度$H_{L}=$                 $\;\rm cm$。(结果保留$2$位小数)

[["$1.01$","$3.98$"]]

$L=65.00\;\rm cm$时,由表格可知通过光电门$2$的时间为$\Delta t_{2}=4.787\;\rm ms$

故通过光电门$2$的速度$v_{2}=\dfrac{d}{\Delta t_{2}}=\dfrac{4.82 \times 10^{- 3}}{4.787 \times 10^{- 3}}\;\rm \text{m}/\text{s}=1.01\;\rm \text{m}/\text{s}$

根据几何关系可得滑块通过两光电门下降的高度$H_{L}=L\sin \theta=65 \times 0.0613\;\rm cm=3.98\;\rm cm$

处理上表数据,并绘制$\Delta v^{2} − H_{L}$关系曲线(其中$\Delta v^{2}=v_{2}^{2} − v_{1}^{2}$),如图($\rm b$)所示。根据图$(\rm b)$中的信息,分析滑块在下滑过程中机械能是否守恒:                ,并给出理由:                

[["

守恒;见解析

"]]

守恒;

根据图($b$)可知其斜率约为$k=\dfrac{0.786-0.236}{0.040-0.012}\ \text{m/s}^{2}\approx19.6\ \ \text{m/s}^{2}\approx2g$

故在误差范围内$\Delta v^{2}=2gH_{L}$成立,说明下滑过程中滑块的动能增加量等于重力势能的减少量,即机械能守恒。

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