高三高考總復(fù)習(xí)講義物理第七章機(jī)械波實(shí)驗(yàn)九用單擺測(cè)量重力加速度的大小_第1頁(yè)
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實(shí)驗(yàn)九用單擺測(cè)量重力加速度的大小原理裝置圖實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)測(cè)擺長(zhǎng)l和周期T,由T=2πl(wèi)g得g=1.做單擺將細(xì)線穿過(guò)帶中心孔的小鋼球,并打一個(gè)比小孔大一些的結(jié),然后把線的另一端用鐵夾固定在鐵架臺(tái)上,讓擺球自然下垂。2.測(cè)擺長(zhǎng)用米尺量出擺線長(zhǎng)l'(精確到毫米),用游標(biāo)卡尺測(cè)出小球直徑D,則單擺的擺長(zhǎng)l=l'+D23.測(cè)周期將單擺從平衡位置拉開一個(gè)角度(小于5°),然后釋放小球,記下單擺擺動(dòng)30次~50次的總時(shí)間,算出一次全振動(dòng)的時(shí)間,即為單擺的周期。4.改變擺長(zhǎng),重做幾次實(shí)驗(yàn)。1.擺線要選1m左右、柔軟不易伸長(zhǎng)的細(xì)線,不要過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。2.懸線長(zhǎng)要待懸掛好球后再測(cè),計(jì)算擺長(zhǎng)時(shí)要將懸線長(zhǎng)加上擺球半徑。3.單擺要在豎直平面內(nèi)擺動(dòng),不要形成圓錐擺。4.要從平衡位置開始計(jì)時(shí),并數(shù)準(zhǔn)全振動(dòng)的次數(shù)。數(shù)據(jù)處理1.公式法:g=4π2lT2,算出重力加速度g2.圖像法:根據(jù)測(cè)出的一系列擺長(zhǎng)l對(duì)應(yīng)的周期T,作l-T2的圖像,由單擺周期公式得l=g4π2T2,圖像應(yīng)是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線,如圖所示,求出圖線的斜率k,即可利用g=4π考點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)例1(2023·新課標(biāo)卷,23)一學(xué)生小組做“用單擺測(cè)量重力加速度的大小”實(shí)驗(yàn)。(1)用實(shí)驗(yàn)室提供的螺旋測(cè)微器測(cè)量擺球直徑,首先,調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器,擰動(dòng)微調(diào)旋鈕使測(cè)微螺桿和測(cè)砧相觸時(shí),發(fā)現(xiàn)固定刻度的橫線與可動(dòng)刻度上的零刻度線未對(duì)齊,如圖(a)所示,該示數(shù)為mm,螺旋測(cè)微器在夾有擺球時(shí)示數(shù)如圖(b)所示,該示數(shù)為mm,則擺球的直徑為mm。

(2)單擺實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖如圖(c)所示,其中角度盤需要固定在桿上的確定點(diǎn)O處,擺線在角度盤上所指的示數(shù)為擺角的大小。若將角度盤固定在O點(diǎn)上方,則擺線在角度盤上所指的示數(shù)為5°時(shí),實(shí)際擺角5°(選填“大于”或“小于”)。

(3)某次實(shí)驗(yàn)所用單擺的擺線長(zhǎng)度為81.50cm,則擺長(zhǎng)為cm。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到從擺球第1次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)到第61次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)的時(shí)間間隔為54.60s,則此單擺周期為s,該小組測(cè)得的重力加速度大小為m/s2(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字,π2取9.870)。

答案(1)0.00620.03520.029(2)大于(3)82.51.829.83解析(1)題圖(a)中,螺旋測(cè)微器固定刻度讀數(shù)為0,可動(dòng)刻度部分讀數(shù)為0.6×0.01mm=0.006mm,所以示數(shù)為0.006mm;題圖(b)中,螺旋測(cè)微器固定刻度讀數(shù)為20.0mm,可動(dòng)刻度部分讀數(shù)為3.5×0.01mm=0.035mm,所以示數(shù)為20.035mm,擺球的直徑d=20.035mm-0.006mm=20.029mm。(2)角度盤固定在O點(diǎn)時(shí),擺線在角度盤上所指角度為擺角大小,若將角度盤固定在O點(diǎn)上方,即角度盤到懸點(diǎn)的距離變短,同樣的角度,擺線在刻度盤上掃過(guò)的弧長(zhǎng)變短,故擺線在角度盤上所指的示數(shù)為5°時(shí),實(shí)際擺角大于5°。(3)單擺的擺長(zhǎng)l等于擺線長(zhǎng)L與擺球半徑之和,即l=L+d2=82.5cm;從擺球第1次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)到第61次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn),單擺完成30次全振動(dòng),故單擺的周期T=54.630s=1.82s;由單擺的周期公式T=2πl(wèi)g可得g=4π2lT2,代入相關(guān)數(shù)據(jù)解得g跟蹤訓(xùn)練1.(2024·山東濟(jì)南一模)(1)在用單擺測(cè)定當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊膶?shí)驗(yàn)中,下列器材和操作最合理的是。

(2)某同學(xué)課后想利用身邊的器材再做一遍“單擺測(cè)量重力加速度”的實(shí)驗(yàn)。家里沒(méi)有合適的擺球,于是他找到了一塊外形不規(guī)則的小金屬塊代替小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。①如圖甲所示,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中他先將金屬塊用細(xì)線系好,結(jié)點(diǎn)為M,將細(xì)線的上端固定于O點(diǎn)。②利用刻度尺測(cè)出OM間細(xì)線的長(zhǎng)度l作為擺長(zhǎng),利用手機(jī)的秒表功能測(cè)出金屬塊做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期T。③在測(cè)出幾組不同擺長(zhǎng)l對(duì)應(yīng)的周期T的數(shù)值后,他作出的T2-l圖像如圖乙所示。④根據(jù)作出的圖像可得重力加速度的測(cè)量值為m/s2(π取3.14,計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

(3)相比于實(shí)驗(yàn)室作出的T2-l圖像,該同學(xué)在家做實(shí)驗(yàn)的T2-l圖像明顯不過(guò)原點(diǎn),其中橫軸截距絕對(duì)值的意義為。

答案(1)D(2)9.86(3)金屬塊重心與M點(diǎn)間距離解析(1)根據(jù)單擺理想模型可知,為減小空氣阻力的影響,擺球應(yīng)采用密度較大,體積較小的鐵球;為使單擺擺動(dòng)時(shí)擺長(zhǎng)不變化,擺線應(yīng)用不易形變的細(xì)絲線,懸點(diǎn)應(yīng)該用鐵夾來(lái)固定,故選D。(2)設(shè)M點(diǎn)到重心的距離為r,根據(jù)單擺周期公式有T=2πl(wèi)+rg,可得T2=4故該圖像的斜率為k=4π2g=4.099.0--1.0×102s2/m=4由此得出重力加速度的測(cè)量值為g≈9.86m/s2。(3)令T2=4π2gl+r=0,解得l考點(diǎn)二創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)例2(2024·湖北卷,12)某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量重力加速度大小g的實(shí)驗(yàn)方案,所用器材有:2g砝碼若干、托盤1個(gè)、輕質(zhì)彈簧1根、米尺1把、光電門1個(gè)、數(shù)字計(jì)時(shí)器1臺(tái)等。具體步驟如下:①將彈簧豎直懸掛在固定支架上,彈簧下面掛上裝有遮光片的托盤,在托盤內(nèi)放入一個(gè)砝碼,如圖(a)所示。②用米尺測(cè)量平衡時(shí)彈簧的長(zhǎng)度l,并安裝光電門。③將彈簧在彈性限度內(nèi)拉伸一定長(zhǎng)度后釋放,使其在豎直方向振動(dòng)。④用數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄30次全振動(dòng)所用時(shí)間t。⑤逐次增加托盤內(nèi)砝碼的數(shù)量,重復(fù)②③④的操作。該同學(xué)將振動(dòng)系統(tǒng)理想化為彈簧振子。已知彈簧振子的振動(dòng)周期T=2πMk,其中k為彈簧的勁度系數(shù),M(1)由步驟④,可知振動(dòng)周期T=。

(2)設(shè)彈簧的原長(zhǎng)為l0,則l與g、l0、T的關(guān)系式為l=。

(3)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的l-T2圖線如圖(b)所示,可得g=m/s2(保留3位有效數(shù)字,π2取9.87)。

(4)本實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源包括(雙選,填標(biāo)號(hào))。

A.空氣阻力B.彈簧質(zhì)量不為零C.光電門的位置稍微偏離托盤的平衡位置答案(1)t30(2)l0+g4π2T2(3)9解析(1)由于30次全振動(dòng)所用的時(shí)間為t,則1次全振動(dòng)的時(shí)間,即振動(dòng)周期T=t30(2)彈簧振子平衡時(shí),由力的平衡條件有k(l-l0)=Mg,又T=2πMk,聯(lián)立可得l=l0+g4π(3)結(jié)合(2)問(wèn)分析可知l-T2圖線的斜率k=g4π2,由題圖(b)可知k=0.540-0.4740.57-0.30m/s2,聯(lián)立解得g=9.65(4)空氣阻力會(huì)使本實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)系統(tǒng)做阻尼振動(dòng),即本實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)系統(tǒng)并不是理想化的彈簧振子,而本實(shí)驗(yàn)中是將振動(dòng)系統(tǒng)理想化為彈簧振子,從而測(cè)出重力加速度的,所以空氣阻力是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)誤差來(lái)源,A正確;(2)問(wèn)分析中將彈簧振子的質(zhì)量等效為托盤及其上砝碼的總質(zhì)量,但是實(shí)際上彈簧振子的質(zhì)量為彈簧的質(zhì)量和托盤及其上砝碼的總質(zhì)量之和,所以彈簧質(zhì)量不為零是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)誤差來(lái)源,B正確;由于數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄的是30次全振動(dòng)的時(shí)間,所以光電門的位置只要在托盤經(jīng)過(guò)的位置均可,即光電門的位置稍微偏離托盤的平衡位置不是本實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源,C錯(cuò)誤。跟蹤訓(xùn)練2.(2024·湖南卷,12)在太空,物體完全失重,用天平無(wú)法測(cè)量質(zhì)量。如圖(a),某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)力學(xué)方法測(cè)量物體質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)方案,主要實(shí)驗(yàn)儀器包括:氣墊導(dǎo)軌、滑塊、輕彈簧、標(biāo)準(zhǔn)砝碼、光電計(jì)時(shí)器和待測(cè)物體,主要步驟如下:(1)調(diào)平氣墊導(dǎo)軌,將彈簧左端連接氣墊導(dǎo)軌左端,右端連接滑塊。(2)將滑塊拉至離平衡位置20cm處由靜止釋放,滑塊第1次經(jīng)過(guò)平衡位置處開始計(jì)時(shí),第21次經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)停止計(jì)時(shí),由此測(cè)得彈簧振子的振動(dòng)周期T。(3)將質(zhì)量為m的砝碼固定在滑塊上,重復(fù)步驟(2)。(4)依次增加砝碼質(zhì)量m,測(cè)出對(duì)應(yīng)的周期T,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示,在圖(b)中繪制T2-m關(guān)系圖線。m/kgT/sT2/s20.0000.6320.3990.0500.7750.6010.1000.8930.7970.1501.0011.0020.2001.1051.2210.2501.1751.381(5)由T2-m圖像可知,彈簧振子振動(dòng)周期的平方與砝碼質(zhì)量的關(guān)系是(選填“線性的”或“非線性的”)。

(6)取下砝碼后,將待測(cè)物體固定在滑塊上,測(cè)量周期并得到T2=0.880s2,則待測(cè)物體質(zhì)量是kg(保留3位有效數(shù)字)。

(7)若換一個(gè)質(zhì)量較小的滑塊重做上述實(shí)驗(yàn),所得T2-m圖線與原圖線相比將沿縱軸(選填“正方向”“負(fù)方向”或“不”)移動(dòng)。

答案(4)見解析圖(5)線性的(6)0.120(7)負(fù)方向解析(4)將題表中的數(shù)據(jù)在題圖(b)中進(jìn)行描點(diǎn),然后用直線擬合,使盡可能多的點(diǎn)在直線上,不在直線上的點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè),偏離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)舍去,如圖所示。(5)由于T2-m圖像為一條直線,則彈簧振子振動(dòng)周期的平方與砝碼質(zhì)量的關(guān)系是線性的。(6)根據(jù)解析圖可知T2=0.880s2時(shí),m=0.120kg。(7)當(dāng)m=0時(shí),T2為滑塊對(duì)應(yīng)的彈簧振子振動(dòng)周期的平方,由圖可知物體的質(zhì)量越大,對(duì)應(yīng)的彈簧振子的振動(dòng)周期越大,所以質(zhì)量較小的滑塊對(duì)應(yīng)的彈簧振子的振動(dòng)周期較小,故換一個(gè)質(zhì)量較小的滑塊重做實(shí)驗(yàn),所得T2-m圖線與原圖線相比將沿縱軸負(fù)方向移動(dòng)。1.(2025·湖南衡陽(yáng)高三開學(xué)考)在“用單擺測(cè)量重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中,某實(shí)驗(yàn)小組在測(cè)量單擺的周期時(shí),測(cè)得擺球經(jīng)過(guò)n次全振動(dòng)的總時(shí)間為Δt,在測(cè)量單擺的擺長(zhǎng)時(shí),先用毫米刻度尺測(cè)得擺線長(zhǎng)度為l,再用游標(biāo)卡尺測(cè)量擺球的直徑為D?;卮鹣铝袉?wèn)題:(1)為了減小測(cè)量周期的誤差,實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在適當(dāng)?shù)奈恢米鲆粯?biāo)記,當(dāng)擺球通過(guò)該標(biāo)記時(shí)開始計(jì)時(shí),該標(biāo)記應(yīng)該放置在擺球擺動(dòng)的。

A.最高點(diǎn) B.最低點(diǎn)C.任意位置(2)該單擺的周期為。

(3)若用l表示擺長(zhǎng),T表示周期,那么重力加速度的表達(dá)式為g=。

(4)如果測(cè)得的g值偏小,可能的原因是。

A.測(cè)擺長(zhǎng)時(shí)擺線拉得過(guò)緊B.擺線上端懸點(diǎn)未固定,振動(dòng)中出現(xiàn)松動(dòng),使擺線長(zhǎng)度增加了C.開始計(jì)時(shí)時(shí),停表過(guò)遲按下D.實(shí)驗(yàn)時(shí)誤將49次全振動(dòng)記為50次(5)為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度,在實(shí)驗(yàn)中可改變幾次擺長(zhǎng)l并測(cè)出相應(yīng)的周期T,從而得出幾組對(duì)應(yīng)的l和T的數(shù)值,以l為橫坐標(biāo)、T2為縱坐標(biāo)作出T2-l圖線,但同學(xué)們不小心每次都把小球直徑當(dāng)作半徑來(lái)計(jì)算擺長(zhǎng),由此得到的T2-l圖像是圖乙中的(選填“①”“②”或“③”)。

答案(1)B(2)Δtn(3)4π2l解析(1)為了減小測(cè)量周期的誤差,應(yīng)該將小球經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)作為計(jì)時(shí)開始和終止的位置,因?yàn)閷?shí)際擺動(dòng)中最高點(diǎn)的位置會(huì)發(fā)生變化,且靠近最高點(diǎn)時(shí)速度較小,計(jì)時(shí)誤差較大,故選B。(2)因?yàn)閿[球經(jīng)過(guò)n次全振動(dòng)的總時(shí)間為Δt,則該單擺的周期為T=Δt(3)由單擺周期公式T=2πl(wèi)g,可得重力加速度的表達(dá)式為g=4(4)重力加速度的表達(dá)式為g=4π2lT2,測(cè)擺長(zhǎng)時(shí)擺線拉得過(guò)緊,所測(cè)擺長(zhǎng)l偏大,則所測(cè)重力加速度偏大,故A錯(cuò)誤;擺線上端懸點(diǎn)未固定,振動(dòng)中出現(xiàn)松動(dòng),使擺線長(zhǎng)度增加了,故所測(cè)重力加速度偏小,故B正確;開始計(jì)時(shí)時(shí),秒表過(guò)遲按下,所測(cè)周期偏小,則所測(cè)重力加速度偏大,故C錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)中誤將49次全振動(dòng)次數(shù)記為50次,所測(cè)周期偏小,(5)由題意可得,單擺的實(shí)際擺長(zhǎng)為l'=l-D2,由單擺周期表達(dá)式得T=2πl(wèi)-D2g,化簡(jiǎn)可得T2=4π2gl-2π2.(2025·山東淄博高三期末)某實(shí)驗(yàn)小組用圖甲所示的雙線擺和光電計(jì)數(shù)器測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。測(cè)得圖中細(xì)線長(zhǎng)度均為L(zhǎng),與水平方向夾角均為θ,小球兩側(cè)為光電計(jì)數(shù)器。(1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量小球的直徑如圖乙所示,則小球的直徑d=cm。

(2)雙線擺的等效擺長(zhǎng)L'=(用所測(cè)物理量的符號(hào)表示)。

(3)將擺球垂直于紙面向外拉開一個(gè)較小的角度后釋放。啟動(dòng)光電計(jì)數(shù)器,光電計(jì)數(shù)器示數(shù)為“0”,由靜止釋放小球,小球每經(jīng)過(guò)平衡位置O時(shí)光電計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次。當(dāng)小球第一次經(jīng)過(guò)平衡位置O時(shí),用秒表開始計(jì)時(shí),當(dāng)光電計(jì)數(shù)器上顯示的計(jì)數(shù)次數(shù)為n時(shí),測(cè)得所用的時(shí)間為t,由此可知,單擺的振動(dòng)周期T=。

(4)可測(cè)得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=(用L、θ、d、n、t符號(hào)表示)。

答案(1)1.86(2)Lsinθ+d2(3)2tn-1解析(1)小球的直徑為d=18mm+6×0.1mm=18.6mm=1.86cm。(2)擺長(zhǎng)等于擺線的有效長(zhǎng)度與小球的半徑之和,即等效擺長(zhǎng)為L(zhǎng)'=Lsinθ+d2(3)當(dāng)光電計(jì)數(shù)器顯示數(shù)為“1”時(shí)是0時(shí)刻,故計(jì)數(shù)次數(shù)剛好為n時(shí),全振動(dòng)次數(shù)為N=n故單擺的振動(dòng)周期T=tN(4)根據(jù)單擺的周期公式可知T=2πL'g,可得g=43.(2025·齊魯名校聯(lián)盟高三開學(xué)考)用圖甲所示的裝置測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?1)實(shí)驗(yàn)時(shí),用10分度的游標(biāo)卡尺測(cè)量擺球的直徑,結(jié)果如圖乙所示,可讀出擺球的直徑為d=mm。

(2)如圖甲所示,將細(xì)線一端拴接小球,另一端固定在拉力傳感器上,用刻度尺測(cè)量擺線長(zhǎng),將擺線長(zhǎng)與擺球的半徑之和記為擺長(zhǎng)l。(3)拉動(dòng)小球使擺線與豎直方向成一個(gè)很小的角度,將小球由靜止釋放,電腦顯示拉力傳感器的拉力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖丙所示。(4)根據(jù)上述信息可得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=,擺球的質(zhì)量m=(用題中和圖中所給的符號(hào)表示)。

答案(1)19.0(4)π2l解析(1)游標(biāo)卡尺的精確度為0.1mm,擺球的直徑為d=19mm+0×0.1mm=19.0mm。(4)由單擺周期公式T=2πl(wèi)g,可得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間=設(shè)單擺最大擺角為θ,在最高點(diǎn)時(shí)擺球速度為零,則其向心力為零,有F2=mgcosθ在最低點(diǎn)時(shí)有F1-mg=mv從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)由動(dòng)能定理得mgl1-cosθ=1聯(lián)立解得m=F14.(2025·湖南長(zhǎng)沙一模)長(zhǎng)郡中學(xué)物理興趣小組用如圖甲所示的裝置測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取⒁粠д诠鈼l的小球用長(zhǎng)為L(zhǎng)=1.00m(L遠(yuǎn)大于小球的半徑)的細(xì)線懸掛在力傳感器上(它能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)上),在力傳感器正下方適當(dāng)位置固定一光電門。實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光條的寬度d,如圖乙所示,則遮光條的寬度d=mm。

(2)在細(xì)線伸直的情況下從某一位置由靜止釋放小球,記錄小球通過(guò)光電門時(shí)的擋光時(shí)間t。此過(guò)程中力傳感器的示數(shù)一直在變化,應(yīng)該記錄力傳感器示數(shù)的(選填“最大值”“最小值”或“平均值”)作為測(cè)量結(jié)果。

(3)改變小球的釋放位置,多記錄幾組擋光時(shí)間t和對(duì)應(yīng)的力傳感器的測(cè)量結(jié)果F。(4)以1t2為橫坐標(biāo),以F為縱坐標(biāo),將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)如圖丙所示,則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=m/s2(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)答案(1)5.40(2)最大值(4)9.4(9.3~9.5都正確)解析(1)游標(biāo)卡尺讀數(shù)為d=5mm+8×0.05mm=5.40mm。(2)小球經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)細(xì)線拉力最大,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)記錄小球經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)細(xì)線的拉力,故應(yīng)記錄拉力的最大值。(4)由于L遠(yuǎn)大于小球的半徑,故單擺擺長(zhǎng)近似等于繩長(zhǎng)L。在最低點(diǎn),根據(jù)牛頓第二定律得F-mg=mv2r=mdt2L,解得故F-1t2圖像的斜率為k=md2L聯(lián)立可得g=bm=b由圖像可知b=0.48Nk=1.0-0.480.35×106kg·m≈1.49×10-6聯(lián)立可得g≈9.4m/s2。5.(2024·黑吉遼卷,12)圖(a)為一套半圓拱形七色彩虹積木示意圖,不同顏色的積木直徑不同。某同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究這套積木小幅擺動(dòng)時(shí)周期T與外徑D之間的關(guān)系。(1)用刻度尺測(cè)量不同顏色積木的外徑D,其中對(duì)

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