類比是研究問題常用的方法。
(1)如圖1所示,在地面上方,將質量為m的小球用長為l的細線懸掛起來,組成一個單擺。把小球拉離平衡位置后釋放,讓其做偏角很小的振動。已知地球質量為M,小球到地心的距離為r,萬有引力常量為G。求小球所在處的重力加速度g及單擺振動的周期T1。
(2)2022年10月31日夢天實驗艙成功發射,并于11月1日與空間站對接后實現在軌運行。若將圖2所示的裝置置于在軌運行的夢天實驗艙中,利用夢天實驗艙的微重力環境,研究庫侖力作用下的振動。
圖2中,質量為m、電荷量為-q的帶電小球用長為l的絕緣細線懸掛起來,在其正下方固定一個電荷量為+Q的均勻帶電大球,把小球拉離平衡位置后釋放,在大球的庫侖力作用下小球做偏角很小的振動。由于振動過程中細線偏角很小,可認為小球到固定帶電大球中心的距離始終為r,且小球受到大球的庫侖力方向不變,帶電小球的振動類似于重力場中單擺的振動。
已知靜電力常量為k,類比單擺在地面附近的振動,求帶電小球在夢天實驗艙中的振動周期T2。
(3)在歷史上,庫侖曾用類似圖2中的實驗研究了異種電荷間吸引力與距離的關系。下面我們就追尋歷史的腳步,用圖2中的裝置驗證庫侖力大小與電荷間距離的平方成反比。請說明實驗驗證的思路。
【考點】庫侖力作用下的受力平衡問題;單擺及單擺的條件.
【答案】(1)小球在地球表面附近的重力加速度為;單擺振動的周期為。
(2)帶電小球在夢天實驗艙中的振動周期為;
(3)實驗驗證的思路見解析。
GM
r
2
2
πr
l
GM
(2)帶電小球在夢天實驗艙中的振動周期為
2
πr
ml
k
Q
q
(3)實驗驗證的思路見解析。
【解答】
【點評】
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發布:2024/6/27 10:35:59組卷:123引用:1難度:0.5
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