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        用DIS系統(tǒng)改進牛頓第二定律實驗

        2018-03-06 08:14:34向可劉文昊王子涵舒文路
        物理教學探討 2018年12期
        關(guān)鍵詞:牛頓第二定律加速運動

        向可 劉文昊 王子涵 舒文路

        摘 要:牛頓第二定律闡述了力與運動的關(guān)系,是高中階段重要的實驗之一。高中驗證牛頓第二定律時,主要用打點計時器估算小車的加速度,用懸掛重物的方式提供合外力。當滿足小車質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量時,把小車所受拉力大小近似認為等于重物的重力。但實驗時,很難做到小車質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量,這給實驗帶來了較大誤差。筆者將教材上的實驗加以改進,利用DIS系統(tǒng)的位移傳感器和力傳感器實時測量小車所受拉力和加速度的大小,有效地改進了教材上實驗的不足之處。

        關(guān)鍵詞:DIS系統(tǒng);加速運動;牛頓第二定律

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2018)12-0042-3

        1 提出問題

        我們在學習人教版高中物理課本必修1第四章第二節(jié)《實驗:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的過程中,把小車所受拉力的大小近似等于重物的重力。而我們知道只有滿足小車質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量這個條件時,這兩個力才近似相等。如何解決這個近似的問題呢?本文引入DIS系統(tǒng),對教材上的實驗進行了改進,巧妙地設(shè)計出能實時測量小車所受拉力大小的實驗裝置,有效解決了該實驗方案的不足之處。

        2 實驗器材

        中科達數(shù)字化實驗系統(tǒng)、小車、軌道、鉤碼、位移傳感器、力傳感器、細線等。

        3 實驗裝置圖(如圖1所示)

        4 實驗步驟

        (1)按圖1組裝好實驗器材;

        (2)平衡摩擦力,調(diào)節(jié)軌道定滑輪一端的高度,細線不掛重物,通過左右移動小車,直至小車的s-t圖線為一條過原點的傾斜直線,如圖2所示;

        (3)打開通用軟件,力傳感器通道、位移傳感器“調(diào)零”;

        (4)將質(zhì)量為5 g的鉤碼掛在細線上,調(diào)節(jié)定滑輪的高度,讓小車上的定滑輪和軌道上的定滑輪處在同一高度,并把小車移至靠近位移傳感器接收端的位置;

        (5)將采集頻率調(diào)至每0.1 s記錄一次數(shù)據(jù),點擊“開始”,然后釋放小車;

        (6)小車停止后,點擊“結(jié)束”;

        (7)將記錄的數(shù)據(jù)導入Excel表格,如表1所示;

        (8)改變鉤碼質(zhì)量,重復以上步驟(如表2~表4)。

        5 數(shù)據(jù)處理

        (1)依據(jù)表1~表4中的s-t數(shù)據(jù),在Excel表格中作出小車的s-t圖線,如圖3~圖5所示;

        (2)在Excel表格中作出的各幅圖線中添加二次項擬合曲線,并顯示擬合公式;

        (3)由于小車在做勻加速直線運動,故小車的加速度為二次項系數(shù)的2倍,即可求出各圖線所對應的小車的加速度;

        (4)依據(jù)表1~表4中的T-t數(shù)據(jù),計算出小車運動過程中受到的平均拉力;

        (上接第43頁)

        (5)由于與力傳感器相連的細繩通過定滑輪對小車施加拉力,故小車受到的合力為拉力T的兩倍,具體計算數(shù)據(jù)如表5所示;

        (6)以小車受到的合力F為橫坐標,小車的加速度a為縱坐標,作出a-F圖線,如圖7所示。

        6 實驗結(jié)論

        線性擬合線經(jīng)過原點,可見在誤差允許的范圍內(nèi),當小車的質(zhì)量一定時,小車的加速度與合力成正比。

        7 結(jié) 論

        通過引入DIS系統(tǒng)對教材上牛頓第二定律實驗的實驗方案加以改進,巧妙地設(shè)計出能實時測量小車所受拉力大小的實驗裝置,直接測出細線中的拉力,可避免懸掛重物質(zhì)量與小車質(zhì)量之間關(guān)系的束縛,有效地改進了過去實驗方案的不足之處。

        參考文獻:

        [1]張一,莫皓云,黃昱章,等.用DIS探究液體表面張力的實驗設(shè)計[J].物理教學探討,2018,36(1):56-59.

        (欄目編輯 王柏廬)

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