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例題精講 · 第 00833 題 · 十五度擺角下小角近似與一階修正的差量回代

以自編示意單擺參數計算小角週期,疊加擺角平方項的一階修正,求修正後周期、絕對差與相對偏差,並說明何時必須計入修正;擺長與重力加速度均為自編示意數據。

00833題號全 1000 篇 · 第 第139輪 / 第139冊 輪
方向物理·實驗六向之一
題型自編仿真題逐題精講 · 采分點拆解

題目性質:自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題,非真題原文,未取自任何題庫、教輔或試卷;解析與採分點為教研整理,非官方評分標準。

例題精講 · 物理實驗

一、考點定位與做題順序

單擺公式 T0=2π√(L/g) 只在擺角趨近零時成立;擺角有限時週期的一階修正是 T≈T0(1+θ²/16),θ 用弧度。 本講把「近似值—修正值—差量—相對偏差」四個量一次算清,並給出「差量是否已超過計時分辨力」的判斷口徑。

二、逐題精講

題1

自編示意:L=1.0000 m、g=9.80 m/s²、θ0=15.0°。求小角週期 T0、修正因子與修正後周期 T。

解析

θ0=15.0×π/180=0.261799 rad。T0=2π√(1.0000/9.80)=2.007090 s。 修正因子 1+θ0²/16=1+0.068539/16=1.004284;T=T0×1.004284=2.015688 s。注意修正使週期變長,方向不能反。

答案 T0=2.007090 s;修正因子 1.004284;T=2.015688 s。

採分點 角度轉弧度 2 分;T0 3 分;修正因子 2 分;T 2 分;方向 1 分。

易錯點 把 15.0 直接當弧度代入 θ²/16,修正因子會大到離譜;也別把修正寫成 1−θ²/16。

題2

求 ΔT 與相對偏差;若擺角改為 30.0°,偏差變為多少?據此說明什麼情況下不能忽略修正。

解析

ΔT=T−T0=2.015688−2.007090=0.008598 s;相對偏差 ΔT/T0×100=0.428368%,恰好等於 θ0²/16×100,可用來即時自檢。 θ 加倍到 0.523599 rad 時,偏差按平方放大四倍,為 1.713472%。若秒錶分辨力為 0.01 s,15.0° 的 0.008598 s 已接近可辨邊界,30.0° 則明顯不可忽略;報告中應寫明擺角與是否修正。

答案 ΔT=0.008598 s,相對偏差 0.428368%;30.0° 時約 1.713472%。

採分點 ΔT 2 分;相對偏差 3 分;平方放大 2 分;自檢等式 1 分;判斷口徑 2 分。

易錯點 把相對偏差寫成 ΔT/T(用修正後周期作分母)會得到略小的數,口徑要與正文一致。

三、規律小結與對照表

量表達式數值方向
擺角弧度15.0×π/1800.261799—
小角週期2π√(L/g)2.007090 s基準
修正因子1+θ²/161.004284變長
修正後周期T0×因子2.015688 s變長
相對偏差θ²/16×1000.428368%隨 θ² 放大

擺角修正不是「可加可不加」的小裝飾:偏差按角度平方增長,是否忽略要拿計時分辨力去比。擺長、重力加速度與秒錶分辨力均為自編示意,不代表真實儀器指標。

四、自測清單

  • 擺角是否先換成弧度
  • T0 是否用 2π√(L/g)
  • 修正因子是否大於 1
  • ΔT 是否為 T−T0 且為正
  • 相對偏差分母是否為 T0
  • θ²/16×100 是否等於相對偏差
  • 30.0° 是否按平方放大四倍
  • 結論是否寫到計時分辨力而非只寫「誤差很小」

五、數值回代明細

按題面原始參數逐項重算(構造時另以一條獨立路徑互驗一致):擺角弧度 = 0.261799;小角週期 = 2.00709;修正因子 = 1.004284;修正後周期 = 2.015688;週期差 = 0.008598;相對偏差百分數 = 0.428368。以上數值與本篇解析、答案欄、規律表逐處對應,示意數據在正文另行註明。

六、選題邊界與相鄰板塊

本講只處理擺角帶來的週期系統偏差;擺長口徑(懸點到質心)、化曲為直 T²–L 擬合、最小二乘剔除與有效數字取捨屬相鄰板塊,不併入本講修正量。

本篇角度與全部已發篇目按累計選題臺賬跨批查重,未複用上批情境,也未把一篇拆成兩篇。

編寫說明與學科依據

本文為備考教研體例稿:題目系按課程標準與聯招常見考點範圍編寫的仿真練習題,非真題原文;文中案例為示意內容,非真實記錄;文末欄目為學科依據說明,非逐條引文。涉及報考、錄取、證件、居留、資助等事項,一律以當年官方文件與學校正式通知為準。

學科依據:

  • 人教版高中教材(物理):單擺擺角修正、表頭並聯分流、二極管伏安特性、圓錐擺測g、牛頓冷卻定律、多用電錶判黑箱相關章節
  • 《普通高等學校聯合招收華僑港澳臺學生考試大綱(物理科)》:相關考點考查範圍(僅作命題範圍參照,本文題目未與真題逐題比對)
  • 編寫說明:題目、選段、選項、數據與解析均為按常見考點獨立編寫的原創仿真題,未取自任何題庫、教輔或試卷;採分點為教研整理,非官方評分標準

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單擺測 g 的擺角高階修正與週期偏差
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