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类比是研究问题常用的方法。
(1)如图1所示,在地面上方,将质量为m的小球用长为l的细线悬挂起来,组成一个单摆。把小球拉离平衡位置后释放,让其做偏角很小的振动。已知地球质量为M,小球到地心的距离为r,万有引力常量为G。求小球所在处的重力加速度g及单摆振动的周期T1
(2)2022年10月31日梦天实验舱成功发射,并于11月1日与空间站对接后实现在轨运行。若将图2所示的装置置于在轨运行的梦天实验舱中,利用梦天实验舱的微重力环境,研究库仑力作用下的振动。
图2中,质量为m、电荷量为-q的带电小球用长为l的绝缘细线悬挂起来,在其正下方固定一个电荷量为+Q的均匀带电大球,把小球拉离平衡位置后释放,在大球的库仑力作用下小球做偏角很小的振动。由于振动过程中细线偏角很小,可认为小球到固定带电大球中心的距离始终为r,且小球受到大球的库仑力方向不变,带电小球的振动类似于重力场中单摆的振动。
已知静电力常量为k,类比单摆在地面附近的振动,求带电小球在梦天实验舱中的振动周期T2
(3)在历史上,库仑曾用类似图2中的实验研究了异种电荷间吸引力与距离的关系。下面我们就追寻历史的脚步,用图2中的装置验证库仑力大小与电荷间距离的平方成反比。请说明实验验证的思路。

【答案】(1)小球在地球表面附近的重力加速度为
GM
r
2
;单摆振动的周期为
2
πr
l
GM

(2)带电小球在梦天实验舱中的振动周期为
2
πr
ml
k
Q
q

(3)实验验证的思路见解析。
【解答】
【点评】
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发布:2024/6/27 10:35:59组卷:122引用:1难度:0.5
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