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專題15力學(xué)實驗實驗專題網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建考題二“橡皮條”“彈簧”類實驗考題三力學(xué)創(chuàng)新拓展實驗欄目索引考題一“紙帶類”實驗考題一“紙帶類”實驗新課標(biāo)《考試大綱》規(guī)定的六個力學(xué)實驗中有四個涉及打點計時器:研究勻變速直線運(yùn)動、探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系、探究做功和物體速度變化的關(guān)系和驗證機(jī)械能守恒定律.這類實驗的關(guān)鍵是要掌握紙帶的分析處理方法,對于紙帶常有以下三大應(yīng)用:1.由紙帶確定時間要區(qū)別打點計時器打出的點與人為選取的計數(shù)點之間的區(qū)別與聯(lián)系,便于測量和計算.知識精講2.求解瞬時速度利用做勻變速直線運(yùn)動的物體在一段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度.如圖1所示,打n點時的瞬時速度vn=

.圖1圖2有些實驗用光電門代替打點計時器來完成瞬時速度和加速度的測量,具體做法如下:(1)求瞬時速度:把遮光條(寬度為d)通過光電門的時間Δt內(nèi)的平均速度看做物體經(jīng)過光電門的瞬時速度,即v=

.(2)求加速度:若兩個光電門之間的距離為L,則利用速度與位移的關(guān)系可求加速度,即a=

.例1

圖3甲是“研究勻變速直線運(yùn)動”的實驗裝置,圖乙是該實驗中獲得的一條紙帶.已知所用交流電源的頻率為50Hz,A、B、C、D、E、F是紙帶上的計數(shù)點,相鄰計數(shù)點間還有四個點沒有畫出.圖3典例剖析圖3(1)實驗時由于沒有記錄CD間的讀數(shù),根據(jù)圖乙中已有的數(shù)據(jù)估算出CD間的距離約為________cm.解析由Δx=aT2,即ED-CD=CD-BC=aT2,2.13解析答案(2)某同學(xué)在處理數(shù)據(jù)時將A點記為t=0,B點記為t=0.1s,C點記為t=0.2s……,將AB間距離記為t=0.1s時的位移x1=1.50cm,BC間距離記為t=0.2s時的位移x2=1.81cm……,并根據(jù)圖乙中的數(shù)據(jù)作出如圖丙所示的x-t圖象,該圖線與縱坐標(biāo)的交點表示的是_____________;若該同學(xué)根據(jù)圖象得出x-t圖象的斜率為k(m/s),則該紙帶運(yùn)動時的加速度大小是________m/s2(請用斜率k來表示,數(shù)值概不給分).答案OA之間的距離10k解析(3)若將實驗中的打點計時器拿掉,改用在水平軌道上安裝兩個光電門,小車上固定有力傳感器和擋光板,細(xì)線一端與力傳感器連接,另一端跨過定滑輪掛上砂桶,如圖丁所示,可以用來驗證“牛頓第二定律”,實驗時,先測出小車、傳感器和擋光板的總質(zhì)量m,再讓小車從靠近光電門1處由靜止開始運(yùn)動,讀出小車在兩光電門之間的運(yùn)動時間t.改變小車質(zhì)量m,測得多組m、t的值,建立坐標(biāo)系描點作出圖線,下列能直觀得出“合外力一定時,加速度與質(zhì)量成反比”的圖線是______.解析√1.在用圖4所示的裝置“驗證牛頓第二定律”的實驗中,保持小車質(zhì)量一定時,驗證小車加速度a與合力F的關(guān)系.[變式訓(xùn)練]123圖4(1)除了電火花計時器、小車、砝碼、砝碼盤、細(xì)線、附有定滑輪的長木板、墊木、導(dǎo)線及開關(guān)外,在下列器材中必須使用的有_____(選填選項前的字母).A.220V、50Hz的交流電源

B.電壓可調(diào)的直流電源

C.刻度尺D.秒表

E.天平(附砝碼)解析√√√解析打點計時器接交流電源,處理紙帶時要用刻度尺測出計數(shù)點間的距離,還要用到天平測砝碼和砝碼盤的質(zhì)量,故選A、C、E;123(2)為了使細(xì)線對小車的拉力等于小車所受的合外力,以下操作正確的是_____.A.調(diào)整長木板上滑輪的高度使細(xì)線與

長木板平行B.在調(diào)整長木板的傾斜度平衡摩擦力時,

應(yīng)當(dāng)將砝碼和砝碼盤通過細(xì)線掛在

小車上C.在調(diào)整長木板的傾斜度平衡摩擦力時,應(yīng)當(dāng)將穿過打點計時器的紙帶

連在小車上123解析√√解析在平衡摩擦力時,不能掛盤;要保證細(xì)線和紙帶與木板平行,先接通電源,再釋放小車,若紙帶做勻速直線運(yùn)動,則紙帶上的點間距是均勻的,即說明平衡了摩擦力,故選A、C;123(3)某同學(xué)得到了圖5所示的一條紙帶,由此得到小車加速度的大小a=____m/s2.123圖515解析答案(4)在本實驗中認(rèn)為細(xì)線的拉力F等于砝碼和砝碼盤的總重力mg,已知三位同學(xué)利用實驗數(shù)據(jù)作出的a-F圖象如圖6中的1、2、3所示.下列分析正確的是____(選填選項前的字母).A.出現(xiàn)圖線1的原因可能是沒有平衡摩擦力B.出現(xiàn)圖線2的原因可能是砝碼和砝碼盤的質(zhì)量

不合適C.出現(xiàn)圖線3的原因可能是在平衡摩擦力時長木板

的傾斜度過大123圖6解析√解析出現(xiàn)圖線1的原因是平衡摩擦力過大,A錯誤;出現(xiàn)圖線2的原因是砝碼和砝碼盤的質(zhì)量沒有遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量,B正確;出現(xiàn)圖線3的原因是平衡摩擦力時長木板的傾斜度過小,使得摩擦力過大,C錯誤.故選B.123(5)在本實驗中認(rèn)為細(xì)線的拉力F等于砝碼和砝碼盤的總重力mg,由此造成的誤差是_________(選填“系統(tǒng)誤差”或“偶然誤差”).設(shè)拉力的真實值為F真,小車的質(zhì)量為M,為了使

<5%,應(yīng)當(dāng)滿足的條件是

<____.解析小車在做勻加速直線運(yùn)動時,砝碼和砝碼盤也在做勻加速直線運(yùn)動,細(xì)線的拉力F一定小于砝碼和砝碼盤的總重力mg,此誤差不可避免,為系統(tǒng)誤差;小車與砝碼和砝碼盤都在做加速度為a的勻加速直線運(yùn)動,對砝碼和砝碼盤有mg—F真=ma,對小車有F真=Ma,代入

<5%,得

<5%.123系統(tǒng)誤差5%解析答案2.如圖7甲所示,一位同學(xué)利用光電計時器等器材做“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗.有一直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球由A處由靜止釋放,下落過程中能通過A處正下方、固定于B處的光電門,測得A、B間的距離為H(H?d),光電計時器記錄下小球通過光電門的時間為t,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.則:123圖7(1)如圖乙所示,用游標(biāo)卡尺測得小球的直徑d=________mm.123解析游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為:d=(0.7×10+5×0.05)mm=7.25mm;7.25解析答案(2)多次改變高度H,重復(fù)上述實驗,作出

隨H的變化圖象如圖丙所示,當(dāng)圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿足以下表達(dá)式:___________時,可判斷小球下落過程中機(jī)械能守恒.解析若減小的重力勢能等于增加的動能時,可以認(rèn)為機(jī)械能守恒;123解析答案(3)實驗中發(fā)現(xiàn)動能增加量ΔEk總是稍小于重力勢能減少量ΔEp,增加下落高度后,則ΔEp-ΔEk將_____(選填“增加”“減小”或“不變”).解析由于在該過程中有阻力做功,且高度越高,阻力做功越多,故增加下落高度后,則ΔEp-ΔEk將增大.123增大解析答案3.某實驗小組用圖8甲實驗裝置探究合力做功與動能變化的關(guān)系.鐵架臺豎直固定放置在水平桌面上,將長木板傾斜放置,一端固定在水平桌面邊緣P處,另一位置放置在鐵架臺的鐵桿上,忽略鐵桿粗細(xì),木板與鐵桿接觸處記為Q,P處放置一光電門.實驗步驟是:123圖8①用游標(biāo)卡尺測出滑塊的擋光片寬度l,用天平測出滑塊的質(zhì)量m;②平衡摩擦力:以木板放置在水平桌面上的P處為軸,調(diào)節(jié)長木板在鐵架臺上的放置位置,使滑塊恰好沿木板向下做勻速運(yùn)動.在鐵架臺豎直桿上記下此位置Q1,用刻度尺測出Q1到水平桌面的高度H;③保持P位置不變,長木板一端放置在鐵架臺豎直桿Q2上.用刻度尺量出Q1Q2的距離h1,將滑塊從木板上的Q2位置由靜止釋放,由光電門計時器讀出滑塊的擋光時間t1;④保持P位置不變,重新調(diào)節(jié)長木板一端在鐵架臺上的放置位置,重復(fù)步驟③數(shù)次.123Ⅰ.滑塊沿長木板由Q2運(yùn)動到P的過程中,用測量的物理量回答下列問題(已知重力加速度為g):(1)滑塊動能的變化量ΔEk=_____,(2)滑塊克服摩擦力做的功Wf=________,(3)合力對滑塊做的功W合=______.123mgHmgh1答案解析123(2)從Q1釋放勻速下滑時,由動能定理有:mgH-μmglcosθ=0,且lcosθ=x,得:μmgx=mgH,從Q2釋放時,設(shè)長木板的傾角為α,Q2P長度為L′,則克服摩擦力做功為Wf=μmgL′cosα,且L′cosα=x,故Wf=mgH.(3)合力做的功W合=mg(H+h1)-Wf=mgh1.Ⅱ.某學(xué)生以鐵架臺豎直桿上的放置位置到Q1的距離h為橫坐標(biāo),以滑塊通過光電門的擋光時間的平方倒數(shù)

為縱坐標(biāo),根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點畫出如圖乙所示直線,若圖線過原點,且圖線斜率k=____,則能證明合外力做的功等于物體動能增量.123返回解析答案1.注意橡皮條、彈簧本身的特點,力的特點是不能突變,能的特點是彈簧拉伸和壓縮相同的量勢能相等,在實驗中也會用到.2.彈簧彈性勢能表達(dá)式不需推導(dǎo)和應(yīng)用,但還是要知道,在驗證性實驗中常用到其結(jié)論.考題二“橡皮條”“彈簧”類實驗知識精講例2

某物理興趣小組的同學(xué)在研究彈簧彈力的時候,測得彈力的大小F和彈簧長度l的關(guān)系如圖9所示,則由圖線可知:(1)彈簧的勁度系數(shù)為________N/m.解析由圖知,當(dāng)F=0時l0=20cm,即彈簧的原長,當(dāng)F0=60N時l=40cm,則Δl=l-l0=0.2m;解析答案典例剖析圖9300(2)為了用彈簧測定兩木塊A和B間的動摩擦因數(shù)μ,兩位同學(xué)分別設(shè)計了如圖10所示的甲、乙兩種方案.①為了用某一彈簧測力計的示數(shù)表示A和B之間的滑動摩擦力的大小,你認(rèn)為方案____更合理.解析乙方案:因在拉著物體A運(yùn)動的過程中,拉A的彈簧測力計在不斷地運(yùn)動,示數(shù)可能會變化,讀數(shù)不準(zhǔn);甲方案:彈簧測力計a是不動的,指針穩(wěn)定便于讀數(shù),故甲方案更合理;圖10解析答案甲②若A和B的重力分別為10.0N和20.0N.當(dāng)A被拉動時,彈簧測力計a的示數(shù)為6.0N,b的示數(shù)為11.0N,c的示數(shù)為4.0N,則A和B間的動摩擦因數(shù)為_____.解析答案圖100.304.某同學(xué)用如圖11甲所示的實驗裝置來驗證“力的平行四邊形定則”.彈簧測力計A掛于固定點P,下端用細(xì)線掛一重物M,彈簧測力計B的一端用細(xì)線系于O點,手持另一端向左拉,使結(jié)點O靜止在某位置.分別讀出彈簧測力計A和B的示數(shù),并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點的位置和拉線的方向.45[變式訓(xùn)練]6圖11(1)本實驗用的彈簧測力計示數(shù)的單位為N,圖乙中的示數(shù)為_____________N.解析彈簧測力計每1N被分成10格,每一小格為0.1N,則彈簧測力計的讀數(shù)為3.80N;4563.80(3.79~3.81)解析答案(2)下列的實驗要求中不必要是____.(填寫選項前對應(yīng)的字母,下同)A.細(xì)線應(yīng)盡可能長一些B.應(yīng)測量重物M所受的重力C.細(xì)線AO與BO之間的夾角應(yīng)盡可能大于90°D.改變拉力的大小與方向,進(jìn)行多次實驗,每次都要使O點靜止在同一位置解析細(xì)線應(yīng)盡可能長一些,能更加準(zhǔn)確的記錄力的方向;實驗通過作出彈簧的彈力和重物的重力這三個力的圖示,來驗證“力的平行四邊形定則”,因此重物的重力必須要知道;細(xì)線AO與BO之間的夾角適當(dāng)大一點,不一定必須大于90°;只要驗證兩彈簧測力計拉力的合力大小等于重物的重力,方向豎直向上即可,每次只需保證O點保持靜止即可,沒必要每次都使O點靜止在同一位置;456解析√√(3)圖丙是在白紙上根據(jù)實驗結(jié)果畫出的力的圖示,下列說法正確的是______.A.圖中的F是力F1和F2合力的理論值B.圖中的F′是力F1和F2合力的理論值C.F是力F1和F2合力的實際測量值D.本實驗將細(xì)繩都換成橡皮條,同樣能達(dá)到實驗?zāi)康慕馕鲈诒緦嶒炛?,按照平行四邊形定則作出的合力F′是力F1和F2合力的理論值,而用一個彈簧測力計拉出的力F是F1和F2合力的實際測量值,本實驗將細(xì)繩都換成橡皮條,同樣能達(dá)到實驗?zāi)康模?56解析√√√(4)本實驗采用的科學(xué)方法是_____.A.理想實驗法 B.等效替代法C.控制變量法 D.建立物理模型法解析本實驗采用的科學(xué)方法是等效替代法.456√解析5.(1)某次研究彈簧所受彈力F與彈簧長度L關(guān)系實驗時得到如圖12(a)所示的F-L圖象,由圖象可知:彈簧原長L0=________cm,求得彈簧的勁度系數(shù)k=________N/m.456圖12解析由胡克定律F=k(L-L0),結(jié)合圖中數(shù)據(jù)得:L0=3.0cm,k=200N/m.2003.0解析答案(2)按如圖(b)的方式掛上鉤碼(已知每個鉤碼重G=1N),使(1)中研究的彈簧壓縮,穩(wěn)定后指針指示如圖(b),則指針?biāo)缚潭瘸呤緮?shù)為_____cm.由此可推測圖(b)中所掛鉤碼的個數(shù)為____個.456解析答案解析由(b)圖知指針?biāo)究潭葹?.50cm,由F=k(L0-L),得彈力為:F=3N,故所掛鉤碼的個數(shù)為3個.1.5036.在“驗證力的平行四邊形定則”實驗中,需要將橡皮條的一端固定在水平木板上,另一端系上兩根細(xì)繩套,如圖13甲所示,實驗中先用兩個彈簧測力計分別勾住繩套,并互成角度地拉橡皮條,把橡皮條的一端拉到O點,用鉛筆描下O點位置和兩個細(xì)繩套的方向,并記錄彈簧測力計的讀數(shù),然后只用一個彈簧測力計,通過細(xì)繩套再次把橡皮條的一端拉到O點,記下彈簧測力計的讀數(shù)F′和細(xì)繩的方向,作出三個力的圖示,如圖乙所示.456圖13(1)下列說法正確的是________.A.實驗中兩個細(xì)繩套應(yīng)適當(dāng)長一些,可以減小

實驗誤差B.在用力拉彈簧測力計時,拉力應(yīng)沿彈簧測力計

的軸線方向C.在作力F1、F2的圖示時,必須選取同樣的標(biāo)度,

而作F′的圖示時,可以選取不同的標(biāo)度D.連接F1、F2和F′三個力的末端,驗證所得圖形是不是平行四邊形456解析√√解析拉橡皮條的細(xì)繩套適當(dāng)長一些,以方便畫出力的方向,可以減小誤差,故A正確;在用力拉彈簧測力計時,拉力應(yīng)沿彈簧測力計的軸線方向,否則會影響拉力大小,故B正確;在作力F1、F2的圖示時,必須選取同樣的標(biāo)度,而作F′的圖示時,也必須選取相同的標(biāo)度,故C錯誤;根據(jù)F1、F2作出平行四邊形,比較對角線和F′的關(guān)系,故D錯誤;456(2)甲同學(xué)在做這個實驗時,兩個彈簧測力計的量程都是10N,他把彈簧測力計校準(zhǔn)零點之后,先測量一個質(zhì)量為1kg的物體的重力,發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的示數(shù)為8.2N,換用另外一個彈簧測力計測量這個物體的重力,發(fā)現(xiàn)示數(shù)還是8.2N,測量重力的操作都是正確的,如果用這兩個彈簧測力計進(jìn)行實驗,對實驗結(jié)果有影響嗎?________(選填“有”或“沒有”),乙同學(xué)實驗后才發(fā)現(xiàn)忘記對這兩個彈簧測力計校準(zhǔn)零點,他把兩個彈簧測力計平放在實驗臺上,發(fā)現(xiàn)兩個彈簧測力計的示數(shù)都是0.3N,乙同學(xué)的彈簧測力計對實驗結(jié)果有影響嗎?456答案返回沒有答案有解析返回解析用兩個校準(zhǔn)零點后的彈簧測力計測量同一個物體發(fā)現(xiàn)示數(shù)相等,則這兩個彈簧測力計的勁度系數(shù)相等,用這兩個彈簧測力計進(jìn)行實驗,拉力和伸長量成正比,對實驗結(jié)果沒有影響;若兩個彈簧測力計測量前都沒有校零,且沒有拉力時彈簧測力計的示數(shù)都是0.3N,則用此彈簧測力計測量時,彈力的大小實際值應(yīng)等于測量值減去0.3N,根據(jù)測量值作平行四邊形時,誤差較大,對實驗有影響.456

考題三力學(xué)創(chuàng)新拓展實驗知識精講探究型實驗通常可分為兩類:第一類為通過實驗和實驗數(shù)據(jù)的分析得出物理規(guī)律;第二類為給出實驗規(guī)律,讓你選擇實驗儀器,設(shè)計實驗步驟,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.第一類必須在實驗數(shù)據(jù)上下工夫,根據(jù)數(shù)據(jù)特點,掌握物理量間的關(guān)系,得出實驗規(guī)律;第二類必須從已知規(guī)律入手,正確選擇測量的物理量,根據(jù)問題聯(lián)想相關(guān)的實驗?zāi)P停_定實驗原理,選擇儀器設(shè)計實驗步驟,記錄實驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.典例剖析例3

某同學(xué)用如圖14甲所示的裝置測滑塊與木板間的動摩擦因數(shù).木板傾斜放置,滑塊置于木板上端,并連接穿過打點計時器的紙帶.滑塊從木板上端由靜止滑下時打出的紙帶如圖乙所示.(1)已知打點計時器所接交流電的頻率是50Hz,紙帶上相鄰的兩個計數(shù)點之間還有4個點沒有畫出,利用測得的數(shù)據(jù)可得到滑塊下滑的加速度大小a=________m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字).圖14答案0.804解析解析由Δx=aT2得:(2)為了測出滑塊與木板間的動摩擦因數(shù),該同學(xué)還測出了斜面的長度l及高度h.利用測量的物理量、加速度a和重力加速度g表示滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ=________.解析答案解析根據(jù)牛頓第二定律有:7.科學(xué)探究活動通常包括以下環(huán)節(jié):提出問題、作出假設(shè)、制定計劃、搜集證據(jù)、評估交流等.一組同學(xué)研究“運(yùn)動物體所受空氣阻力與運(yùn)動速度關(guān)系”的探究過程如下A.有同學(xué)認(rèn)為:運(yùn)動物體所受空氣阻力可能與其運(yùn)動速度有關(guān)B.他們計劃利用一些“小紙杯”作為研究對象,用超聲測距儀等儀器測量

“小紙杯”在空中直線下落時的下落距離、速度隨時間變化的規(guī)律,

以驗證假設(shè)78[變式訓(xùn)練]9C.在相同的實驗條件下,同學(xué)們首先測量了單只“小紙杯”在空中下落

過程中不同時刻的下落距離,將數(shù)據(jù)填入表中.圖15(a)是對應(yīng)的位移-時間

圖線,然后將不同數(shù)量的“小紙杯”疊放在一起從空中下落,分別測出

它們的速度—時間圖線,如圖(b)中圖線所示(1、2、3、4、5分別為紙杯個數(shù))D.同學(xué)們對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納后,證實了他們的假設(shè).789(a) (b)圖15解析答案回答下列提問:(1)與上述過程中C步驟相應(yīng)的科學(xué)探究環(huán)節(jié)是__________;解析步驟C是按照一定的原理測量出需要的數(shù)據(jù),以便對假設(shè)進(jìn)行驗證,故答案為:搜集證據(jù).789搜集證據(jù)(a) (b)(2)結(jié)合表格與圖(a),表中x處的值應(yīng)為______;789(a)時間(s)下落距離(m)0.00.0000.40.0360.80.4691.20.9571.61.4472.0x答案解析1.937解析圖中AB段是直線,表示勻速直線運(yùn)動;根據(jù)勻速直線運(yùn)動的規(guī)律知:在相等的時間內(nèi)通過的位移相同,則x=1.447m+(1.447-0.957)m=1.937m789(3)根據(jù)圖(b)中圖線的特點,可知“小紙杯”在達(dá)到平衡狀態(tài)之前做____________________運(yùn)動,空氣阻力Ff與最終運(yùn)動速度v的大致關(guān)系為_____.解析圖中五條曲線都逐漸變平,故都表示加速度逐漸減??;因杯子個數(shù)慢慢增大,重力關(guān)系為1∶2∶3∶4∶5,則勻速運(yùn)動時阻力之比也為1∶2∶3∶4∶5;由數(shù)據(jù)得速度之比為1.2∶1.7∶2.1∶2.4∶2.7,則速度平方之比可近似為:1∶2∶3∶4∶5;由此得阻力應(yīng)和速度的平方成正比,故關(guān)系為:Ff∝v2.789(b)加速度逐漸減小的加速Ff∝v2解析答案8.一個有一定厚度的圓盤,可以繞通過中心垂直于盤面的水平軸轉(zhuǎn)動,圓盤加速轉(zhuǎn)動時,角速度的增加量Δω與對應(yīng)時間Δt的比值定義為角加速度β.我們用電磁打點計時器、米尺、游標(biāo)卡尺、紙帶、復(fù)寫紙來完成下述實驗:(打點計時器所接交流電的頻率為50Hz,A、B、C、D…為計數(shù)點,相鄰兩計數(shù)點間有四個點未畫出)①如圖16甲所示,將打點計時器固定在桌面上,將紙帶的一端穿過打點計時器的限位孔,然后固定在圓盤的側(cè)面,當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時,紙帶可以卷在圓盤側(cè)面上;②接通電源,打點計時器開始打點,啟動控制裝置使圓盤勻加速轉(zhuǎn)動;③經(jīng)過一段時間,圓盤停止轉(zhuǎn)動和打點,取下紙帶,進(jìn)行測量.(計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字).789789圖16(1)用20分度的游標(biāo)卡尺測得圓盤的直徑如圖乙所示,圓盤的半徑r為________cm;答案解析3.000解析游標(biāo)卡尺的讀數(shù):d=6×10mm+0×0.05mm=60.00mm,即d=6.000c

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