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全国中学生物理竞赛实验指导书思考题参考答案力学

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2020年4月19日
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实验二 在气轨上研究瞬时速度
【思考题参考答案】
1．试测量气轨倾斜角度b，并把实验中所求得的加速度a和gsinb相比较。
答：测量b的方法：先用匀速法把气垫导轨调节水平，然后，测出两个支点沿气轨的长度L，测出垫块的高度h，。
测量加速度的方法：（1）将两个光电门安放在一定距离的适中位置，读出距离s，（2）滑块装上U型挡光片，将光电计时器调节到测两个速度状态，让滑块静止下滑测量经过两个光电门的速度v1、v2。（3）计算加速度a并与比较，其中。
注：为消除粘滞阻力影响，能够经过测量四个速度分别计算下滑和上升的加速度。道理如下：，，因此
P·
B·
·A
l
2．使用平板型挡光片和两个光电门，如何测量滑块经过倾斜气轨上一点A的瞬时速度。
答：将光电计时器调到测量一个时间间隔状态，在滑块上装平板型挡光片，控制滑块从气轨上一个固定点P由静止滑下，从挡光片前沿挡第一光电门开始计时，挡第二光电门停止计时，测出时间t，根据匀变速运动公式，有，而
选择不同的l，测出t，计算出，在坐标纸上画出—t曲线，确定斜率和截距，其斜率的绝对值为a/2，截距为A点的瞬时速度v。
【补充思考题】测量气轨的阻尼因数。滑块在气轨上运动，由于内摩擦和气轨平整度问题，也会有较小的阻力，一般认为阻力与速度方向相反，大小成正比。即。设计一个实验，测量b值。
A
B
测量依据和测量公式：将气轨调节水平，放一质量为m的滑块，气轨上两光电门之间距离为s。轻推滑块是它向右运动，由于阻尼，同理，向左运动。
由于阻力很小，滑块接近匀速运动
利用牛顿第二定律 ，
测量方案：在滑块上装一个挡光距离为dS（很小）的U型挡光片，测出经过两个挡光片的速度，在沿相反方向测量一次，用两次测量的速度差的平均值计算。

实验三 测量金属的杨氏模量（伸长法）
【思考题参考答案】
1．用光杠杆测量微小长度变化的原理是什么？用测定杨氏模量要满足哪些条件？
答：第一问，利用光的反射规律将微小长度变化转化为微小角度变化，进而转化为远处明显的位置变化，，放大倍数为2R/D。第二问，测定杨氏模量要满足两个条件：（1）即使加最大载量，金属丝的伸长要在弹性限度内；（2）光杠杆转角要小。另外，装置的初状态尽量保证光杠杆三个足尖在同一水平面，平面镜竖直，直尺竖直。
2．在增减砝码，从望远镜中读取和时，如何判断所得的数据是否合理。
答：第一，和读数基本相同；第二，增减一个砝码，读数的变化量基本相同。
3．如果金属丝稍有弯曲，可能给实验结果带来什么影响？为了减小实验误差，应该采取什么措施？
答：如果金属丝弯曲，加一定的力金属丝由于弯曲部分被拉直使dl过大，测出的杨氏模量比真实值偏小。为了减小误差，应选取金属丝的无弯曲部分，或者将弯曲的金属丝擀直。
4．在本实验中，用不同的仪器来测量各个长度量，这是怎样考虑的？为什么？
答：根据测量公式E的相对标准偏差为。从误差等分的原则出发，数值较大的长度量能够用精确度低的测长仪器，数值小的长度量要用精确度高的测长仪器或经放大后测量。据此本实验用毫米尺和游标卡尺测量L、R，用螺旋测径器测量d，用光杠杆将dl放大后测量。
[补充思考题]在增减砝码，从望远镜中读取的和差别较大的可能原因。
答：读数差别较大或者不随载荷按比例增减的可能原因有：（1）金属丝本身不直，且初始砝码较小，导致加在到一定载荷时金属丝被突然拉直；（2）杨氏模量仪支柱未调垂直，导致金属丝下端夹头在圆孔内摩擦力过大；（3）光杠杆主杆脚尖与金属丝相碰，导致角度变化不正常；（4）增减砝码时有明显碰撞，导致光杠杆脚尖发生位移；（5）金属丝夹头没夹紧，导致增加载荷时金属丝下滑。

实验四 研究单摆的运动特性
【思考题参考答案】
1．请想出一种用摆锤为不规则形状的重物（如一把挂锁）制成“单摆”，并测定重力加速度的方法。
答：假设作为摆锤的不规则形状重物长度为d。因为，从误差均分看，我们能够用长度为l的刚性轻线，将重物悬起，只要（例如20倍以上），就能够近似认为摆长是l+d/2。测量10个周期的时间，计算出周期，测量出g。
2．假设单摆的摆动不在竖直平面内，而是作圆锥运动（即“锥摆”）。若不加修正，在同样的摆角条件下，所测的g值将会偏大还是偏小？为什么？
答：锥摆的运动也是周期运动，这时测量的周期是圆周运动周期。
F
mg
b
l
r
根据牛顿第二定律，有 ，
由于， ，
能够求出
如果测量者误认为是单摆，而按计算重力加速度，由于，测得的重力加速度将比实际值大
实验五 气轨上研究碰撞过程中动量和能量的变化
【思考题参考答案】
dl
ds
1．为什么要求挡光片与滑块运动方向平行，而且挡光边与滑块运动方向垂直？如果不平行或不垂直会带来什么影响？
答：只有挡光片与滑块运动方向平行，而且挡光边与滑块运动方向垂直时，测量的挡光时间才是挡光宽度对应的挡光时间。如果挡光片与滑块运动方向不平行，挡光边与滑块运动方向就不会垂直。如图，实际挡光宽度将大于设计的挡光宽度，造成测量的挡光时间长，而计算速度是按与挡光时间之比进行，测量速度小于实际速度，实验误差明显。
2．碰撞前滑块A的速度vA过大或过小有什么不好？
答：碰撞前滑块A的速度vA过小时，一方面滑块运动不平稳（左右振动明显），另一方面，阻尼的影响明显，甚至不碰，造成误差明显。碰撞前滑块A的速度vA过大时，其一，冲撞激烈，碰簧形变严重，造成碰撞后两滑块侧向振动或鼓起，偏离正碰，且速度不稳；其二，如果mA>mB，B滑块运动过快，致使碰到气轨一端的碰簧后脱离气轨；其三，如果mA>mB，B滑块运动过快，致使碰到气轨一端后快速返回，在A滑块还没有运动到第二个光电门时，B滑块再次与A滑块碰簧，致使A滑块的碰后速度无法测量。碰撞前滑块A的速度一般取20-30cm/s。
【补充思考题】两个物体对心碰撞的恢复系数定义为：碰撞后两物体相对远离速度与碰撞前两物体的相对接近速度之比。怎么测定两滑块对心碰撞的恢复系数
答：假设气轨上两滑块A、B，A接近B并发生对心碰撞，则

这四个量是代数量。利用滑块上的U型挡光片和光电计时器测出相应速率。
保持，对于的情况，碰撞后A继续向前运动。

对于的情况，碰撞后A返回。

实验六 测量空气中的声速
【思考题参考答案】
1．为什么不测量单个的l/2或l，而要测量多个？在计算l/2或l时，将所测数据首尾相减，再除以l/2或l的个数。这种计算方法与逐差法比较，哪一种较好？
答：超声波的波长l数值较小，测量一个l/2或l时偶然误差过大。测量多个进行平均，削弱偶然误差的影响。对第二个问题，当然逐差法较好，第一种求平均的方法只使用了首尾两个数据，增加了大误差机会，逐差法求平均利用了所有测量数据，出现大偶然误差的机会极其微小。
2．用第一种方法（极值法），为什么要在正弦波振幅为极大时进行测量？用第二种方法（相位法），为什么在利萨如图形呈直线时进行测量？
答：用第一种方法即极值法测量时，要在正弦波振幅为极大时进行测量。因为信号源发射的信号不是理想正弦信号，带有一定的谐波成份，但基波最强谐波一般都比较弱，谐波的能量达到一定强度时，也会产生驻波。当接收端和发射端的距离满足基波信号成分的驻波条件时，驻波振幅极大值最大（称为谐振），当接收端的位置微小变化时，基波信号不再满足驻波条件，而个别谐波信号可能满足驻波条件，振幅就明显减小。因此利用基波进行测量灵敏度高，易于测准待测位置。
在相位法测量时，出现斜直线代表发射端和接收端信号的相位差是2p整倍数，这时接收端位置的微小变化将引起相位变化，直线就往闭合曲线变化，直线变曲线容易看出来。如果采用利萨如图形为正椭圆进行测量，尽管出现正椭圆也代表发射端和接收端信号的相位差是2p整倍数，这时接收端位置的微小变化将引起相位变化，正椭圆向斜椭圆变化，这不容易判断。
【补充思考题】在测量空气中的声速的实验中，怎样测量谐振频率？
答：使两个换能器之间有适当距离，信号发射器有适当输出，调节示波器，使荧光屏上出现稳定的、适当大小的正弦波形。改变信号源频率，并略微调整接收端位置，使正弦波振幅尽可能大，重复这样调节，直到在一定距离上不论改变信号频率还是改变距离正弦波幅度都减小，此时的信号频率即换能器的谐振频率。
[补充思考题]在测量空气中的声速的实验中，为什么波节处振幅一般不为零？
答：因为信号源发射的信号不是理想正弦信号，带有一定的谐波成份，其中基波最强，当基波在接收端位置满足波节条件时，而个别谐波信号并不满足波节条件，振幅并不为零。
实验七 弦线上的驻波实验
【思考题参考答案】
1．弦线上出现驻波的条件是什么？
答： ，。
2．如果要确定弦线作受迫振动时共振频率与弦线有效长度L之间的关系，应如何安排实验？
答：固定T，改变L，测出n=1的共振频率f。
根据，， 得
令，，则
其中
根据实验数据作图线，用最小二乘法计算斜率和截距，将斜率与“-1”比较。
[补充思考题]弦振动实验中，如何寻找弦振动的基频，为什么在驱动信号频率较低的情况下也能产生共振？
答：弦振动的基频是只有一个波腹时弦振动出现共振（稳定的驻波）时弦振动频率。对固定的弦长和拉力，连接好信号源和示波器，接收线圈安放在两个支点的正中间位置，保持已知的信号输出功率，缓慢调节输出频率，当出现正弦信号有稳定趋势时更慢调节频率，当正弦波形幅度最大时，用示波器测出驱动和接收的正弦波峰峰值，测出接收的正弦波周期即弦振动周期。继续增大信号源频率，只要出现稳定驻波都进行上述测量，你会发现这些共振的弦振动频率一样。当引起共振的信号很强时就看到弦振动而且是一个波幅，这个频率就是基频频率。
由于信号源输出的不是单一频率的理想正弦波，特别是较低频率时，带有一定的谐波成份，谐波的能量达到一定强度时，如果满足了共振条件（谐波频率等于弦振动固有频率）也会产生稳定驻波。