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摆,是物理学中重要的模型之一。如图1所示,一根不可伸长的轻软细绳的上端固定在天花板上的O点,下端系一个摆球(可看作质点)。将其拉至A点后静止释放,摆球将在竖直面内的A、C之间来回摆动,其中B点为运动中的最低点。忽略空气阻力。

(1)图2所示为绳中拉力F随时间t变化的图线,求:
a.摆的振动周期T。
b.摆的最大摆角θm
(2)摆角θ很小时,摆球的运动可看作简谐运动。某同学发现他家中摆长为0.993m的单摆在小角度摆动时,周期为2s。他又查阅资料发现,早期的国际计量单位都是基于实物或物质的特性来定义的,称为实物基准,例如质量是以一块1kg的铂铱合金圆柱体为实物基准。于是他想到可以利用上述摆长为0.993m的单摆建立“1s”的实物基准。请判断该同学的想法是否合理,并说明理由。
(3)小摆角单摆是较为精确的机械计时装置,常用来制作摆钟。摆钟在工作过程中由于与空气摩擦而带上一定的负电荷,而地表附近又存在着竖直向下的大气电场(可视为匀强电场),导致摆钟走时不准。某同学由此想到可以利用小摆角单摆估测大气电场强度:他用质量为m的金属小球和长为L(远大于小球半径)的轻质绝缘细线制成一个单摆。他设法使小球带电荷量为-q并做小角度振动,再用手机秒表计时功能测量其振动周期T,已知重力加速度g,不考虑地磁场的影响。
a.推导大气电场强度的大小E的表达式。
b.实际上,摆球所带电荷量为10-7C量级,大气电场强度为102N/C量级,摆球质量为10-1kg量级,手机秒表计时的精度为10-2s量级。分析判断该同学上述测量方案是否可行。(提示:当|x|≪1时,有(1+x)n=1+nx)

【答案】(1)a、摆的振动周期T为2.16s,b、摆的最大摆角θm为60°;
(2)不合理,因为单摆周期公式
T
=
2
π
L
g
,不同地区的纬度,海拔高度不同,g值不同,所以不可以利用上述摆长为0.993m的单摆建立“1s”的实物基准;
(3)a.大气电场强度的大小E的表达式为:E=
mg
q
-
4
π
2
m
L
q
T
2

b、不可行,因为实际上
mg
q
达到的数量级是107N/C,与大气电场强度102N/C量级相差太大,也就是摆球所带电荷量太小,达不到实验要求,该同学上述测量方案是不可行。
【解答】
【点评】
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发布:2024/6/27 10:35:59组卷:233引用:2难度:0.5
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  • 1.在做“用单摆测定重力加速度”的实验中,
    (1)用秒表测时间时为尽量减少误差,应从摆球通过
    (选填“最高点”或“最低点”)时开始计时。
    (2)某同学在正确操作和测量的情况下,测得周期为T1,得出重力加速度值比当地重力加速度值小,排除了其它因素后发现,是所用摆球的重心不在球心所致,则可以判断重心应该是在球心的
    (选填“上方”或“下方”)。于是他将摆线长减小ΔL,测得单摆振动周期为T2,由此可得到比较准确的重力加速度表达式是

    (3)为了更准确测量,他测出多组摆长L和振动周期T,得出如图所示图象,则图象的纵轴表示
    ;由图象求出的重力加速度g=
    m/s2.(小数点后保留两位)

    发布:2024/12/29 15:0:2组卷:125引用:5难度:0.6
  • 2.在“用单摆测定重力加速度”的实验中,某实验小组在测量单摆的周期时,测得摆球经过n次全振动的总时间为Δt;在测量单摆的摆长时,先用毫米刻度尺测得摆线长为l,再用游标卡尺测量摆球的直径为D,某次测量游标卡尺的示数如图甲所示。

    回答下列问题:
    (1)从甲图可知,摆球的直径为D=
    mm;
    (2)该单摆的周期为

    (3)为了提高实验的准确度,在实验中可改变几次摆长L并测出相应的周期T,从而得出几组对应的L和T的数值,以L为横坐标、T2为纵坐标作出T2-L图线,但同学们不小心每次都把小球直径当作半径来计算摆长,由此得到的T2-L图像是图乙中的
    (选填①、②、③),由图像可得当地重力加速度g=
    ;由此得到的g值会
    。(选填“偏小”“不变”“偏大”)

    发布:2024/12/29 14:30:1组卷:212引用:4难度:0.6
  • 3.小明利用如图甲所示的单摆测量当地的重力加速度。

    (1)下列有关说法正确的是
    。(填字母)
    A.摆线要选择适当细些、长些,弹性小些的细线
    B.质量大、体积小的摆球可以减小空气阻力带来的影响
    C.单摆的摆长等于摆线上端的悬点到摆球最低点的距离
    D.为减小测量周期的误差,摆球全振动的次数越多越好
    (2)用游标卡尺测量摆球直径如图乙所示,则摆球的直径为
    cm。
    (3)通过改变摆长,测出多组摆长l和周期T的数据,作出T2-l图线如图丙所示,则由图中数据计算重力加速度g的表达式为
    (用l1、l2、T1、T2表示);用此方法计算重力加速度时,图线不过坐标原点对结果是否有影响?
    。(填“有”或“没有”)

    发布:2024/12/20 9:0:2组卷:48引用:4难度:0.4
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