精密测量重力加速度

精密测量重力加速度

  在精密测量中,一种测量重力加速度g的方法是在某空容器中竖直向上抛出一个物体,测出物体抛出后两次经过水平位置A的时间间隔为,两次经过水平位置B的时间间隔为,已知B在A的上方h处,试求重力加速度g.

  解:以起抛点为坐标原点,建立竖直向上的y轴,由已知条件,得,对A点有

  

  即:

  式中为上抛初速度,过A点两时刻分别为

  

  

  便有

  

  或者

  

  对B点,相应的有

  

  与上式相减,得

  

  即有

  

两物追及时加速度的临界值

  在倾角为?的光滑斜面顶端有一质点A自静止开始自由下落,与此同时在斜面底部有一质点B自静止开始以匀加速度a背离斜面在光滑的水平面上运动。设A下滑到斜面底部能沿着光滑的小弯曲部分平稳的朝B追去,试求为使A不能追上B,a的取值范围。

  解:显然a越小A越能追上B,a大到某临界值时A恰能追上B,超过此值A便不能追上B。先求a的这一临界值。

  设A到斜面底部的速度为,所经时间便为

  

  而后由于A匀速,B匀加速,因此A恰好能追上B的条件是:

(1) 在路程方面能追上B,即又经时间后,便为

   .

(2) A追上B时,B的速度恰好已达到,即有

.

两式相除,便得

于是,有

将代入后,即得a的临界值为

综合前面所述,可知为使A不能追上B,a的取值范围为

比较两种斜上抛运动的具体情况

  在地面上同一地点以相同的初始速率,在同一竖直平面内将两小球以不同的抛射角抛出。若两小球的水平射程相同,试证:

(1) 两小球抛射方向与方向所夹的角相等;

(2) 它们在空中飞行的时间的乘积与水平射程之比为一常量。

证:将初速度记为,抛射角记为,水平射程记为S,飞行时间记为t,则有

(1) 两小球的抛射角分别记为,因为相同,有

其中的解不合题意,另一解为

即有

若,故有

(2) 飞行时间的乘积为

即有

运用速度合成求解斜抛物体在某一瞬时的速率

  小球在某竖直平面的O点斜向上方抛出,抛射角为,速度大小为。在该竖直平面内作OM射线与小球抛出时的初速度方向垂直,如图1所示.试问:

  小球到达OM射线时的速度为多大?

  

解:过O点作PQ直线与OM射线垂直,将重力加速度g如图2所示分解为

小球在PQ方向上作初速度为、负方向加速度为的匀加速直线运动,到达OM射线所需时间为

此时小球沿PQ方向的速度为

又因小球在OM方向上作初速为O、加速度为的匀加速直线运动,经t时间速度达到

小球在到达OM射线时的速度大小为

.

运用估算法比较两速度的大小

看电影时,常发现银幕上小轿车虽然在行驶中,但车轮似乎并未转动.设车轮表面形状如图所示,请估算此时轿车行进的速度与你的百米跑平均速度哪一个快?

  解:释放电影时每秒映出24幅画面,拍电影时也是每秒摄取24个镜头.若两次相邻拍摄间,车轮恰好转过的整数倍,则两张底片中车轮外形重合,便观察不出车轮的转动.这种情况对应的车轮最小转动速度为

  

车轮半径记为R,对应的轿车行进速度为

最小的R可估算为25cm,则

这就是"车轮似乎并未转动"时的小轿车最慢行进速度,显然超过百米短跑平均速度.

用频闪光照射小圆盘

  图1(a)中的黑色圆盘上有一白点S,盘绕垂直于盘面的中心轴以f0=50HZ的频率旋转.如果用频率为f的频闪光去照射该盘,在盘上能稳定地出现如图1(b)所示的三个白点,请算出两种可能的f值,其一大于f0,其二小于f0,若又取f为51 HZ,那么在盘上能观察到什么现象?

  

解如图2所示,将已被观察到的三个白点位置分别记为A、B和C.若t=O时白点在 A位置,那么白点在B或C位置的时刻应分别为

k=0,1,2,3......

k=0,1,2,3......

其中是圆盘旋转周期.总可假设t=0时频闪光第一次照亮圆盘,即白点在A处,而后便有两种可能:

(1)频闪光第二次照亮时白点在B位置,则要求频闪周期T=满足

而后在

照亮时,白点在C位置;在

照亮时,白点在A位置,如此重复下去,即能在圆盘上稳定地出现图2所示的三个白点.

  (2)频闪光第二次照亮时白点在C位置,则T须满足

由类似分析知,这也能在圆盘上稳定地出现图2所示的三个白点。

综上所述,全部可取的频闪光频率为

或者

其中大于的f解有(50HZ)的f解为与,小于解为、等无穷多个。实际上f太小时,"全黑"时间将太长,故不宜取。

若f(例如51HZ)稍大于,则稍小于,白点在A位置被照亮后,经过T时间转过周(相当于逆时针偏转1-周)时又被照亮。因此,白点逆时针倒退一周所需时间为

倒退频率为

可见,白点将以的频率逆时针倒退。

细杆放置于台阶上

  细杆ABC在一竖直平面上靠着一个台阶放置,A端可沿着水平地面朝台阶运动,细杆不离开台阶拐角.当ABC杆与水平地面夹角为图1所示的时,杆的B点恰好位于台阶拐角处,而且C端运动速度值恰为A端运动速度值的2倍,试求:

  BC长与AB长的比值.

  

解:首先证明此时B点的速度必沿杆的方向.

  设时间内A端位移量为,B点的位移量为图2所示的.细杆与水平地面夹角从

增为, B点在垂直于杆方向的位移分量便为

  ,

  故

  因为小量,极限情况下,有

这便证明了必沿杆的方向.

  既然B点只是沿着杆的方向运动,杆中其他各点的运动便可分解为沿杆方向的分速度和绕着B点的旋转速度.设旋转角速度为,再将AB长记为L,BC长记为,如图3所示,有

  

  

可解得

或。

精密测量重力加速度

  在精密测量中,一种测量重力加速度g的方法是在某空容器中竖直向上抛出一个物体,测出物体抛出后两次经过水平位置A的时间间隔为,两次经过水平位置B的时间间隔为,已知B在A的上方h处,试求重力加速度g.

  解:以起抛点为坐标原点,建立竖直向上的y轴,由已知条件,得,对A点有

  

  即:

  式中为上抛初速度,过A点两时刻分别为

  

  

  便有

  

  或者

  

  对B点,相应的有

  

  与上式相减,得

  

  即有

  

两物追及时加速度的临界值

  在倾角为?的光滑斜面顶端有一质点A自静止开始自由下落,与此同时在斜面底部有一质点B自静止开始以匀加速度a背离斜面在光滑的水平面上运动。设A下滑到斜面底部能沿着光滑的小弯曲部分平稳的朝B追去,试求为使A不能追上B,a的取值范围。

  解:显然a越小A越能追上B,a大到某临界值时A恰能追上B,超过此值A便不能追上B。先求a的这一临界值。

  设A到斜面底部的速度为,所经时间便为

  

  而后由于A匀速,B匀加速,因此A恰好能追上B的条件是:

(1) 在路程方面能追上B,即又经时间后,便为

   .

(2) A追上B时,B的速度恰好已达到,即有

.

两式相除,便得

于是,有

将代入后,即得a的临界值为

综合前面所述,可知为使A不能追上B,a的取值范围为

比较两种斜上抛运动的具体情况

  在地面上同一地点以相同的初始速率,在同一竖直平面内将两小球以不同的抛射角抛出。若两小球的水平射程相同,试证:

(1) 两小球抛射方向与方向所夹的角相等;

(2) 它们在空中飞行的时间的乘积与水平射程之比为一常量。

证:将初速度记为,抛射角记为,水平射程记为S,飞行时间记为t,则有

(1) 两小球的抛射角分别记为,因为相同,有

其中的解不合题意,另一解为

即有

若,故有

(2) 飞行时间的乘积为

即有

运用速度合成求解斜抛物体在某一瞬时的速率

  小球在某竖直平面的O点斜向上方抛出,抛射角为,速度大小为。在该竖直平面内作OM射线与小球抛出时的初速度方向垂直,如图1所示.试问:

  小球到达OM射线时的速度为多大?

  

解:过O点作PQ直线与OM射线垂直,将重力加速度g如图2所示分解为

小球在PQ方向上作初速度为、负方向加速度为的匀加速直线运动,到达OM射线所需时间为

此时小球沿PQ方向的速度为

又因小球在OM方向上作初速为O、加速度为的匀加速直线运动,经t时间速度达到

小球在到达OM射线时的速度大小为

.

运用估算法比较两速度的大小

看电影时,常发现银幕上小轿车虽然在行驶中,但车轮似乎并未转动.设车轮表面形状如图所示,请估算此时轿车行进的速度与你的百米跑平均速度哪一个快?

  解:释放电影时每秒映出24幅画面,拍电影时也是每秒摄取24个镜头.若两次相邻拍摄间,车轮恰好转过的整数倍,则两张底片中车轮外形重合,便观察不出车轮的转动.这种情况对应的车轮最小转动速度为

  

车轮半径记为R,对应的轿车行进速度为

最小的R可估算为25cm,则

这就是"车轮似乎并未转动"时的小轿车最慢行进速度,显然超过百米短跑平均速度.

用频闪光照射小圆盘

  图1(a)中的黑色圆盘上有一白点S,盘绕垂直于盘面的中心轴以f0=50HZ的频率旋转.如果用频率为f的频闪光去照射该盘,在盘上能稳定地出现如图1(b)所示的三个白点,请算出两种可能的f值,其一大于f0,其二小于f0,若又取f为51 HZ,那么在盘上能观察到什么现象?

  

解如图2所示,将已被观察到的三个白点位置分别记为A、B和C.若t=O时白点在 A位置,那么白点在B或C位置的时刻应分别为

k=0,1,2,3......

k=0,1,2,3......

其中是圆盘旋转周期.总可假设t=0时频闪光第一次照亮圆盘,即白点在A处,而后便有两种可能:

(1)频闪光第二次照亮时白点在B位置,则要求频闪周期T=满足

而后在

照亮时,白点在C位置;在

照亮时,白点在A位置,如此重复下去,即能在圆盘上稳定地出现图2所示的三个白点.

  (2)频闪光第二次照亮时白点在C位置,则T须满足

由类似分析知,这也能在圆盘上稳定地出现图2所示的三个白点。

综上所述,全部可取的频闪光频率为

或者

其中大于的f解有(50HZ)的f解为与,小于解为、等无穷多个。实际上f太小时,"全黑"时间将太长,故不宜取。

若f(例如51HZ)稍大于,则稍小于,白点在A位置被照亮后,经过T时间转过周(相当于逆时针偏转1-周)时又被照亮。因此,白点逆时针倒退一周所需时间为

倒退频率为

可见,白点将以的频率逆时针倒退。

细杆放置于台阶上

  细杆ABC在一竖直平面上靠着一个台阶放置,A端可沿着水平地面朝台阶运动,细杆不离开台阶拐角.当ABC杆与水平地面夹角为图1所示的时,杆的B点恰好位于台阶拐角处,而且C端运动速度值恰为A端运动速度值的2倍,试求:

  BC长与AB长的比值.

  

解:首先证明此时B点的速度必沿杆的方向.

  设时间内A端位移量为,B点的位移量为图2所示的.细杆与水平地面夹角从

增为, B点在垂直于杆方向的位移分量便为

  ,

  故

  因为小量,极限情况下,有

这便证明了必沿杆的方向.

  既然B点只是沿着杆的方向运动,杆中其他各点的运动便可分解为沿杆方向的分速度和绕着B点的旋转速度.设旋转角速度为,再将AB长记为L,BC长记为,如图3所示,有

  

  

可解得

或。


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