某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数,缓冲装置如图所示…——2021 高考物理第 11 题答案解析

2021_省自主命题(广东)

2021 广东 第 11 题 解答题 区分题
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11. 某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数,缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为 $3 0 ^ { \circ }$ ,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为 200g 的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数 n 和弹簧上端对应的刻度尺示数 $L _ { 0 }$ ,数据如表所示。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。

<table><tr><td rowspan=1 colspan=1>n</td><td rowspan=1 colspan=1>1</td><td rowspan=1 colspan=1>2</td><td rowspan=1 colspan=1>3</td><td rowspan=1 colspan=1>4</td><td rowspan=1 colspan=1>5</td><td rowspan=1 colspan=1>6</td></tr><tr><td rowspan=1 colspan=1> $L _ { n } / \mathrm { c m }$ </td><td rowspan=1 colspan=1>8.04</td><td rowspan=1 colspan=1>10.03</td><td rowspan=1 colspan=1>12.05</td><td rowspan=1 colspan=1>14.07</td><td rowspan=1 colspan=1>16.11</td><td rowspan=1 colspan=1>18.09</td></tr></table>

(1)利用 $\Delta L _ { \mathrm { i } } = L _ { \mathrm { i + 3 } } - L _ { \mathrm { i } } \left( \mathrm { i } = 1 , 2 , 3 \right)$ 计算弹簧的压缩量: $\Delta L _ { 1 } = 6 . 0 3 \mathrm { c m }$ $\Delta L _ { 2 } = 6 . 0 8 \mathrm { c m }$ $\Delta L _ { 3 } = \mathrm { . c m }$ ,压缩量的平均值 $\overline { { \Delta L } } = \frac { \Delta L _ { 1 } + \Delta L _ { 2 } + \Delta L _ { 3 } } { 3 } :$ = \_cm;

(2)上述 $\overline { { \Delta L } }$ 是管中增加 个钢球时产生的弹簧平均压缩量;

(3)忽略摩擦,重力加速度 $g$ 取 $9 . 8 0 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ ,该弹簧的劲度系数为\_\_\_\_\_\_N/m。(结果保留3位有效数字)【答案】 (1). 6.04 (2). 6.05 (3). 3 (4). 48.6

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(1)根据逐差法公式 $\Delta L _ { \mathrm { i } } = L _ { \mathrm { i + 3 } } - L _ { \mathrm { i } }$,当 $i=3$ 时:
$$ \Delta L _ { 3 } = L _ { 6 } - L _ { 3 } = 18.09 \mathrm { ~cm } - 12.05 \mathrm { ~cm } = 6.04 \mathrm { ~cm} $$
计算压缩量的平均值:
$$ \overline { { \Delta L } } = \frac { \Delta L _ { 1 } + \Delta L _ { 2 } + \Delta L _ { 3 } } { 3 } = \frac { 6.03 + 6.08 + 6.04 } { 3 } \mathrm { ~cm } \approx 6.05 \mathrm { ~cm} $$

(2)由题意可知,$\Delta L_1$ 对应钢球个数从 1 增加到 4,$\Delta L_2$ 对应从 2 增加到 5,$\Delta L_3$ 对应从 3 增加到 6。因此,上述 $\overline { { \Delta L } }$ 是管中增加 3 个钢球时产生的弹簧平均压缩量。

(3)对增加的 3 个钢球进行受力分析,忽略摩擦,钢球处于平衡状态。沿斜面方向,重力的分力与弹簧弹力平衡:
$$ 3 m g \sin \theta = k \cdot \overline { { \Delta L } } $$
其中 $m = 200 \mathrm { ~g } = 0.2 \mathrm { ~kg }$,$\theta = 30 ^ { \circ }$,$\overline { { \Delta L } } = 6.05 \mathrm { ~cm } = 0.0605 \mathrm { ~m }$,$g = 9.80 \mathrm { ~m/s^2 }$。
代入数据解得劲度系数:
$$ k = \frac { 3 m g \sin 30 ^ { \circ } } { \overline { { \Delta L } } } = \frac { 3 \times 0.2 \times 9.80 \times 0.5 } { 0.0605 } \mathrm { ~N/m } \approx 48.6 \mathrm { ~N/m } $$

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