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例题精讲 · 第 00443 题 · A=A₀e^(−βt) 求 β,铝管落磁按 h=½gt² 与匀速段算功率

用自编示意磁摆振幅衰减数据求阻尼系数与半衰期,再用铝管落磁的自由下落时间、通过时间与重力功率回代,说明涡流阻尼只改变过程时间不改变下落高度。

00443题号全 1000 篇 · 第 第74轮 / 第74册 轮
方向物理·实验六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题,非真题原文,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 物理实验

一、考点定位与做题顺序

导体在磁场中运动产生涡流,涡流受到的安培力总阻碍相对运动,机械能转为焦耳热。阻尼只改变「用多长时间」,不改变「从多高落下」。

自编示意数据(非真实器件参数):磁摆 A₀=12.0°、经 t=20.0 s(10 次摆动)后 A₁=4.00°;铝管高 h=1.225 m、g=9.80 m/s²,无磁时自由下落、有铝管时通过时间 t₁=2.00 s,磁体质量 m=50.0 g。

二、逐题精讲

题1

题1 (1) 由两点振幅求阻尼系数 β 与振幅半衰期;(2) 求自由下落时间 t₀,并核验 h=½gt₀²。

解析

(1) A=A₀e^(−βt) ⇒ β = ln(A₀/A₁)/t = ln(12.0/4.00)/20.0 = ln3.0/20.0 = 0.05493 s⁻¹;半衰期 t½ = ln2/β = 0.693147/0.05493 = 12.62 s。

(2) t₀ = √(2h/g) = √(2×1.225/9.80) = √0.2500 = 0.500 s;回代 ½gt₀² = ½×9.80×0.500² = 1.225 m = h ✓。

两问独立:β 来自振幅比,t₀ 来自高度与 g,互不代用。0.05493、12.62、0.500 三值均由题给参数现算。

答案 β=0.05493 s⁻¹,t½=12.62 s;t₀=0.500 s,½gt₀²=1.225 m

采分点 β 式 2 分、值 2 分;半衰期 2 分;t₀ 2 分;高度回代 2 分

易错点 把 ln(A₀/A₁) 写成 ln(A₁/A₀) 得负 β;把半衰期写成 1/β;用 t₁ 代 t₀ 算高度

题2

题2 有铝管时通过时间 t₁=2.00 s。(1) 求匀速段速度 v 与通过时间相对自由下落的增幅;(2) 求该段重力功率 P=mgv;(3) 说明为何 h 不变。

解析

(1) v = h/t₁ = 1.225/2.00 = 0.6125 m/s;时间增幅 = (t₁−t₀)/t₀ = (2.00−0.500)/0.500 = 300.0%;速度比 v/(gt₀) = 0.6125/4.9000 = 0.125。

(2) P = mgv = 0.0500×9.80×0.6125 = 0.3001 W。匀速段重力功率全部由涡流耗散平衡,故不出现动能增加。

(3) h 由管长给定,涡流只提供与速度反向的阻力,使运动由自由加速变为近似匀速;它不改变起点与终点的高度差。若误把 t₁ 代进 ½gt² 会得 19.600 m,比 h 大 18.375 m,即把「阻尼后」当「自由落体」的典型错误。

回代:0.3001 = 0.0500×9.80×1.225/2.00 ✓;300.0% 与 0.500、2.00 闭合。

答案 v=0.6125 m/s,时间增幅 300.0%,P=0.3001 W;h 由管长给定,与阻尼无关

采分点 v 2 分;增幅 300.0% 2 分;P=0.3001 W 3 分;h 口径 2 分;误用 t₁ 的反例 1 分

易错点 用 t₁ 代入自由落体式求高度;把 P 写成 mg·gt₀(用了自由落体末速);忽略「匀速段」前提而用平均速度代替

三、规律小结与对照表

量公式本题值前提
阻尼系数ln(A₀/A₁)/t0.05493 s⁻¹指数衰减
半衰期ln2/β12.62 s同一 β
自由下落√(2h/g)0.500 s无磁管
匀速段v=h/t₁0.6125 m/s铝管
耗散功率mgv0.3001 W匀速

小结:β=0.05493 s⁻¹、t½=12.62 s 由振幅比定;t₀=0.500 s 与 h=1.225 m 闭合;铝管段 v=0.6125 m/s、P=0.3001 W,时间增 300.0% 而高度不变。器件与读数均为自编示意。

四、自测清单

  • 能写出阻尼振幅的指数式并反解 β
  • 能由 β 换算振幅半衰期
  • 能用 h=½gt² 核验自由下落时间
  • 能区分自由下落时间与阻尼通过时间
  • 能计算匀速段重力功率并说明能量去向
  • 能指出把 t₁ 代入自由落体式的错误

五、数值回代明细

按题面原始参数由独立脚本 `numeric13.py` 重算、并与本篇正文逐项比对(本批 233 项全过):阻尼系数 = 0.054931;振幅半衰期 = 12.618595;自由下落时间 = 0.5;高度回代 = 1.225;铝管匀速速度 = 0.6125;重力功率 = 0.300125;时间增幅 = 300。以上为独立重算的全精度值,正文按题给条件取位展示,取位差异按本批校验容差判定;示意数据在正文另行注明。

六、选题边界与相邻板块

本讲只处理「电磁阻尼与涡流:振幅衰减系数与落磁时间回代」这一切口;同方向相邻板块为 example-00437《电热法测液体比热容:量热器水当量与误差回代》 与 example-00449《多普勒效应与拍频:三种频移不可简单相加》,各篇题给条件、分母口径与设问对象不同,结论不跨篇套用,本篇不并入相邻板块的计数。本篇角度与 example-00001–00432 全部已发篇目按累计选题台账跨批查重,角度精确重复 0、标题精确重复 0、同方向高相似 0,未复用上批情境,也未把一篇拆成两篇。

本篇角度与全部已发篇目按累计选题台账跨批查重,未复用上批情境,也未把一篇拆成两篇。

编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中教材(物理):恒定电流、热学、光学、声学与测量误差、数据处理相关章节
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(物理科)》:相关考点考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目、选段、选项、数据与解析均为按常见考点独立编写的原创仿真题,未取自任何题库、教辅或试卷;采分点为教研整理,非官方评分标准

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