全國中學(xué)生物理競賽實驗指導(dǎo)書思考題參考答案力學(xué)解析

1、實驗二 在氣軌上研究瞬時速度【思考題參考答案】1試測量氣軌傾斜角度b，并把實驗中所求得的加速度a和gsinb相比較。答：測量b的方法：先用勻速法把氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，然后，測出兩個支點沿氣軌的長度l，測出墊塊的高度h，。測量加速度的方法：（1）將兩個光電門安放在一定距離的適中位置，讀出距離s，（2）滑塊裝上u型擋光片，將光電計時器調(diào)節(jié)到測兩個速度狀態(tài)，讓滑塊靜止下滑測量經(jīng)過兩個光電門的速度v1、v2。（3）計算加速度a并與比較，其中。注：為消除粘滯阻力影響，可以通過測量四個速度分別計算下滑和上升的加速度。道理如下：，所以p·b··al2使用平板型擋光片和兩個光電門，

2、如何測量滑塊通過傾斜氣軌上一點a的瞬時速度。答：將光電計時器調(diào)到測量一個時間間隔狀態(tài)，在滑塊上裝平板型擋光片，控制滑塊從氣軌上一個固定點p由靜止滑下，從擋光片前沿?fù)醯谝还怆婇T開始計時，擋第二光電門停止計時，測出時間t，根據(jù)勻變速運動公式，有，而選擇不同的l，測出t，計算出，在坐標(biāo)紙上畫出t曲線，確定斜率和截距，其斜率的絕對值為a/2，截距為a點的瞬時速度v?！狙a充思考題】測量氣軌的阻尼因數(shù)?；瑝K在氣軌上運動，由于內(nèi)摩擦和氣軌平整度問題，也會有較小的阻力，一般認(rèn)為阻力與速度方向相反，大小成正比。即。設(shè)計一個實驗，測量b值。ab測量依據(jù)和測量公式：將氣軌調(diào)節(jié)水平，放一質(zhì)量為m的滑塊，氣軌上兩光電門

3、之間距離為s。輕推滑塊是它向右運動，由于阻尼，同理，向左運動。由于阻力很小，滑塊接近勻速運動 利用牛頓第二定律 ，測量方案：在滑塊上裝一個擋光距離為ds（很?。┑膗型擋光片，測出經(jīng)過兩個擋光片的速度，在沿相反方向測量一次，用兩次測量的速度差的平均值計算。 實驗三 測量金屬的楊氏模量（伸長法）【思考題參考答案】1用光杠桿測量微小長度變化的原理是什么？用測定楊氏模量要滿足哪些條件？答：第一問，利用光的反射規(guī)律將微小長度變化轉(zhuǎn)化為微小角度變化，進而轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)處明顯的位置變化，放大倍數(shù)為2r/d。第二問，測定楊氏模量要滿足兩個條件：（1）即使加最大載量，金屬絲的伸長要在彈性限度內(nèi)；（2）光杠桿轉(zhuǎn)角要小。

4、另外，裝置的初狀態(tài)盡量保證光杠桿三個足尖在同一水平面，平面鏡豎直，直尺豎直。2在增減砝碼，從望遠(yuǎn)鏡中讀取和時，如何判斷所得的數(shù)據(jù)是否合理。答：第一，和讀數(shù)基本相同；第二，增減一個砝碼，讀數(shù)的變化量基本相同。3如果金屬絲稍有彎曲，可能給實驗結(jié)果帶來什么影響？為了減小實驗誤差，應(yīng)該采取什么措施？答：如果金屬絲彎曲，加一定的力金屬絲由于彎曲部分被拉直使dl過大，測出的楊氏模量比真實值偏小。為了減小誤差，應(yīng)選取金屬絲的無彎曲部分，或者將彎曲的金屬絲搟直。4在本實驗中，用不同的儀器來測量各個長度量，這是怎樣考慮的？為什么？答：根據(jù)測量公式e的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為。從誤差等分的原則出發(fā)，數(shù)值較大的長度量可以用精

5、確度低的測長儀器，數(shù)值小的長度量要用精確度高的測長儀器或經(jīng)放大后測量。據(jù)此本實驗用毫米尺和游標(biāo)卡尺測量l、r，用螺旋測徑器測量d，用光杠桿將dl放大后測量。補充思考題在增減砝碼，從望遠(yuǎn)鏡中讀取的和差別較大的可能原因。答：讀數(shù)差別較大或者不隨載荷按比例增減的可能原因有：（1）金屬絲本身不直，且初始砝碼較小，導(dǎo)致加在到一定載荷時金屬絲被突然拉直；（2）楊氏模量儀支柱未調(diào)垂直，導(dǎo)致金屬絲下端夾頭在圓孔內(nèi)摩擦力過大；（3）光杠桿主桿腳尖與金屬絲相碰，導(dǎo)致角度變化不正常；（4）增減砝碼時有明顯碰撞，導(dǎo)致光杠桿腳尖發(fā)生位移；（5）金屬絲夾頭沒夾緊，導(dǎo)致增加載荷時金屬絲下滑。實驗四 研究單擺的運動特性【思考

6、題參考答案】1請想出一種用擺錘為不規(guī)則形狀的重物（如一把掛鎖）制成“單擺”，并測定重力加速度的方法。答：假設(shè)作為擺錘的不規(guī)則形狀重物長度為d。因為，從誤差均分看，我們可以用長度為l的剛性輕線，將重物懸起，只要（例如20倍以上），就可以近似認(rèn)為擺長是l+d/2。測量10個周期的時間，計算出周期，測量出g。2假設(shè)單擺的擺動不在豎直平面內(nèi)，而是作圓錐運動（即“錐擺”）。若不加修正，在同樣的擺角條件下，所測的g值將會偏大還是偏?。繛槭裁?？答：錐擺的運動也是周期運動，這時測量的周期是圓周運動周期。fmgblr根據(jù)牛頓第二定律，有 ，由于， ，可以求出 如果測量者誤認(rèn)為是單擺，而按計算重力加速度，由于，測

7、得的重力加速度將比實際值大實驗五 氣軌上研究碰撞過程中動量和能量的變化【思考題參考答案】dlds1為什么要求擋光片與滑塊運動方向平行，而且擋光邊與滑塊運動方向垂直？如果不平行或不垂直會帶來什么影響？答：只有擋光片與滑塊運動方向平行，而且擋光邊與滑塊運動方向垂直時，測量的擋光時間才是擋光寬度對應(yīng)的擋光時間。如果擋光片與滑塊運動方向不平行，擋光邊與滑塊運動方向就不會垂直。如圖，實際擋光寬度將大于設(shè)計的擋光寬度，造成測量的擋光時間長，而計算速度是按與擋光時間之比進行，測量速度小于實際速度，實驗誤差明顯。2碰撞前滑塊a的速度va過大或過小有什么不好？答：碰撞前滑塊a的速度va過小時，一方面滑塊運動不平

8、穩(wěn)（左右振動明顯），另一方面，阻尼的影響明顯，甚至不碰，造成誤差明顯。碰撞前滑塊a的速度va過大時，其一，沖撞激烈，碰簧形變嚴(yán)重，造成碰撞后兩滑塊側(cè)向振動或鼓起，偏離正碰，且速度不穩(wěn)；其二，如果ma>mb，b滑塊運動過快，致使碰到氣軌一端的碰簧后脫離氣軌；其三，如果ma>mb，b滑塊運動過快，致使碰到氣軌一端后快速返回，在a滑塊還沒有運動到第二個光電門時，b滑塊再次與a滑塊碰簧，致使a滑塊的碰后速度無法測量。碰撞前滑塊a的速度一般取20-30cm/s?！狙a充思考題】兩個物體對心碰撞的恢復(fù)系數(shù)定義為：碰撞后兩物體相對遠(yuǎn)離速度與碰撞前兩物體的相對接近速度之比。怎么測定兩滑塊對心碰撞的恢

9、復(fù)系數(shù)答：假設(shè)氣軌上兩滑塊a、b，a接近b并發(fā)生對心碰撞，則這四個量是代數(shù)量。利用滑塊上的u型擋光片和光電計時器測出相應(yīng)速率。保持，對于的情況，碰撞后a繼續(xù)向前運動。對于的情況，碰撞后a返回。實驗六 測量空氣中的聲速【思考題參考答案】1為什么不測量單個的l/2或l，而要測量多個？在計算l/2或l時，將所測數(shù)據(jù)首尾相減，再除以l/2或l的個數(shù)。這種計算方法與逐差法比較，哪一種較好？答：超聲波的波長l數(shù)值較小，測量一個l/2或l時偶然誤差過大。測量多個進行平均，削弱偶然誤差的影響。對第二個問題，當(dāng)然逐差法較好，第一種求平均的方法只使用了首尾兩個數(shù)據(jù)，增加了大誤差機會，逐差法求平均利用了所有測量數(shù)據(jù)

10、，出現(xiàn)大偶然誤差的機會極其微小。2用第一種方法（極值法），為什么要在正弦波振幅為極大時進行測量？用第二種方法（相位法），為什么在利薩如圖形呈直線時進行測量？答：用第一種方法即極值法測量時，要在正弦波振幅為極大時進行測量。因為信號源發(fā)射的信號不是理想正弦信號，帶有一定的諧波成份，但基波最強諧波一般都比較弱，諧波的能量達(dá)到一定強度時，也會產(chǎn)生駐波。當(dāng)接收端和發(fā)射端的距離滿足基波信號成分的駐波條件時，駐波振幅極大值最大（稱為諧振），當(dāng)接收端的位置微小變化時，基波信號不再滿足駐波條件，而個別諧波信號可能滿足駐波條件，振幅就明顯減小。所以利用基波進行測量靈敏度高，易于測準(zhǔn)待測位置。在相位法測量時，出現(xiàn)斜

11、直線代表發(fā)射端和接收端信號的相位差是2p整倍數(shù)，這時接收端位置的微小變化將引起相位變化，直線就往閉合曲線變化，直線變曲線容易看出來。如果采用利薩如圖形為正橢圓進行測量，盡管出現(xiàn)正橢圓也代表發(fā)射端和接收端信號的相位差是2p整倍數(shù)，這時接收端位置的微小變化將引起相位變化，正橢圓向斜橢圓變化，這不容易判斷?！狙a充思考題】在測量空氣中的聲速的實驗中，怎樣測量諧振頻率？答：使兩個換能器之間有適當(dāng)距離，信號發(fā)射器有適當(dāng)輸出，調(diào)節(jié)示波器，使熒光屏上出現(xiàn)穩(wěn)定的、適當(dāng)大小的正弦波形。改變信號源頻率，并略微調(diào)整接收端位置，使正弦波振幅盡可能大，反復(fù)這樣調(diào)節(jié)，直到在一定距離上不管改變信號頻率還是改變距離正弦波幅度都

12、減小，此時的信號頻率即換能器的諧振頻率。 補充思考題在測量空氣中的聲速的實驗中，為什么波節(jié)處振幅一般不為零？答：因為信號源發(fā)射的信號不是理想正弦信號，帶有一定的諧波成份，其中基波最強，當(dāng)基波在接收端位置滿足波節(jié)條件時，而個別諧波信號并不滿足波節(jié)條件，振幅并不為零。實驗七 弦線上的駐波實驗【思考題參考答案】1弦線上出現(xiàn)駐波的條件是什么？答： ，。2如果要確定弦線作受迫振動時共振頻率與弦線有效長度l之間的關(guān)系，應(yīng)如何安排實驗？答：固定t，改變l，測出n=1的共振頻率f。根據(jù)， 得 令，則其中根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作圖線，用最小二乘法計算斜率和截距，將斜率與“-1”比較。補充思考題弦振動實驗中，如何尋找弦振動

13、的基頻，為什么在驅(qū)動信號頻率較低的情況下也能產(chǎn)生共振？答：弦振動的基頻是只有一個波腹時弦振動出現(xiàn)共振（穩(wěn)定的駐波）時弦振動頻率。對固定的弦長和拉力，連接好信號源和示波器，接收線圈安放在兩個支點的正中間位置，保持已知的信號輸出功率，緩慢調(diào)節(jié)輸出頻率，當(dāng)出現(xiàn)正弦信號有穩(wěn)定趨勢時更慢調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)正弦波形幅度最大時，用示波器測出驅(qū)動和接收的正弦波峰峰值，測出接收的正弦波周期即弦振動周期。繼續(xù)增大信號源頻率，只要出現(xiàn)穩(wěn)定駐波都進行上述測量，你會發(fā)現(xiàn)這些共振的弦振動頻率一樣。當(dāng)引起共振的信號很強時就看到弦振動并且是一個波幅，這個頻率就是基頻頻率。由于信號源輸出的不是單一頻率的理想正弦波，特別是較低頻率時，帶有一定的諧波成份，諧波的能量達(dá)到一定強度時，如果滿足了共振條件（諧波頻率等于弦振動固有頻率）也會產(chǎn)生穩(wěn)定駐波。8古今名言敏而好學(xué)，不恥下問孔子業(yè)精于勤，荒于嬉；行成于思，毀于隨韓愈興于詩，立于禮，成于樂孔子己所不欲，勿施于人孔子讀書破萬卷，下筆如有神杜甫讀書有三到，謂心到，眼到，口到朱熹立身以立學(xué)為先，立學(xué)以讀書為本歐陽修讀萬卷書，行萬里路劉彝黑發(fā)不知勤學(xué)早，白首方悔讀書遲顏真卿書卷多情似故人，晨昏憂樂每相親于謙書猶藥也，善讀之可以醫(yī)愚劉向莫等閑，白了少年頭，空悲切岳飛發(fā)奮識遍天下字，立志讀盡人間書蘇軾鳥欲高飛先振翅，人求上進先讀