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某研究性学习小组,为探究航天器球形返回舱穿过大气层时所受的空气阻力(风力)的影响因素,进行了模拟探究.如图是测风力的实验装置图,其中CD是一段水平放置的长为L的光滑均匀电阻丝,电阻丝的阻值较大.一质量和电阻均不计的细长裸金属丝一端固定于O点,另一端悬挂球P,无风时细金属丝竖直,恰与电阻丝在C点接触,OC长为H.有风时金属丝偏离竖直方向,与电阻丝相交于某一点(如图中虚线所示,细金属丝与电阻始终保持良好的接触).已知电源电压为U
0且保持不变,电压表分别与O点和C点相连,球P的质量为m,并推得风力大小F与电压表示数U的关系为F=
(1)研究小组的同学猜想:风力大小F可能与风速大小v和球半径r这两个因素有关,于是他们进行了如下实验.
实验一:使用同一球,改变风速,记录了在不同风速下电压表的示数,如表1.
表1 r=0.050cm
风速/(ms-1) |
10 |
15 |
20 |
30 |
电压表示数/V |
2.40 |
3.60 |
4.81 |
7.19 |
由表1数据可知:风力大小与风速大小的关系是:
在球半径一定时,风力大小与风速大小成正比关系
在球半径一定时,风力大小与风速大小成正比关系
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实验二:保持风速一定,换用同种材料、不同半径的实心球,记录了半径不同的情况下电压表的示数,如表2.
表2 v=10m/s
球半径/cm |
0.25 |
0.50 |
0.75 |
1.00 |
电压表示数/V |
9.60 |
2.40 |
1.07 |
0.60 |
由表2数据可知:风力大小与球半径大小的关系是:
在风速一定时,风力大小与球半径大小成正比关系
在风速一定时,风力大小与球半径大小成正比关系
.(提示:球体体积公式为
πr
3)
(2)根据上述实验结果可知:风力大小F与风速大小v、球的半径r的关系式为:
F=Kvr,其中K为常数
F=Kvr,其中K为常数
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