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        巧用“相向?qū)ψ矊?shí)驗(yàn)法”驗(yàn)證牛頓第二定律

        2020-07-01 09:28:06劉召新
        物理通報(bào) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:號車吊桶摩擦力

        劉召新

        (余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

        1 制作背景

        “4.2 實(shí)驗(yàn):探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·必修1》中的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容,是“牛頓第二定律”教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分.課本上提供的實(shí)驗(yàn)方案:如圖1單車軌道實(shí)驗(yàn),這個(gè)方案雖能夠多方位鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ珜?shí)驗(yàn)過程繁瑣,實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長,只適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)而不適合課堂演示實(shí)驗(yàn).圖2雙車對比實(shí)驗(yàn),雖然簡化了實(shí)驗(yàn)過程,但是實(shí)驗(yàn)裝置難以達(dá)到要求,特別是兩輛車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間同步.盡管設(shè)計(jì)者在硬件裝置做了各種改進(jìn),但是沒有本質(zhì)上解決小車發(fā)生的位移時(shí)間相等.筆者本人經(jīng)過多年反復(fù)的探索和研究,轉(zhuǎn)變了思路,終于自制了操作簡便、原理更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器.

        圖1 單車軌道實(shí)驗(yàn)

        圖2 雙車對比實(shí)驗(yàn)

        2 實(shí)驗(yàn)儀器的制作原理

        3 實(shí)驗(yàn)儀器的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

        如圖3所示,將1號、2號兩輛小車中間水平開孔,懸掛吊桶的細(xì)繩從中穿過,使得1號車的拉力指向2號車,2號車的拉力指向1號車,最終能在拉力作用下相向運(yùn)動(dòng)并正面撞擊.鋁合金軌道經(jīng)過改造使其兩端帶有定滑輪,并且加裝電磁鐵保證了小車釋放的同時(shí)性.

        利用吊桶的拉力對小車進(jìn)行平衡摩擦力,規(guī)避了相向運(yùn)動(dòng)小車摩擦力平衡的難題,并且利用銅絲的長短改變吊桶的重量,以達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)的效果,最終保證1號車和2號車在只有吊桶拉力作用下能夠勻速直線運(yùn)動(dòng).

        在1號小車撞擊端安裝噴點(diǎn)裝置,當(dāng)兩車相向撞擊時(shí),擠壓墨水從針管針尖瞬間噴出,高速飛出的墨水噴射到軌道上的刻度尺上面,能夠準(zhǔn)確記錄兩輛小車相同時(shí)間t內(nèi)發(fā)生的位移x.

        采用加工改造過的三角支架,不但保障了實(shí)驗(yàn)時(shí)軌道的高度,而且便于進(jìn)行水平調(diào)節(jié),還很輕巧,便于攜帶,便于不同場合進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

        圖3 自制新型牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)儀

        4 實(shí)驗(yàn)過程

        (1) 將本實(shí)驗(yàn)裝置放在水平地面上,調(diào)節(jié)三角支架觀察水平儀進(jìn)行調(diào)節(jié)水平.

        (2)改變吊桶的重量,分別對1號、2號車進(jìn)行平衡摩擦力.

        (3)啟動(dòng)電磁鐵,將兩個(gè)小車靜置于軌道的兩端.

        (4)控制車質(zhì)量M一定,改變吊桶質(zhì)量以改變拉力F,記錄吊桶增加的質(zhì)量m1,m2和兩車的位移x1,x2,如表1所示(探究加速度a與力F的關(guān)系),改變吊桶質(zhì)量m(F),重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次.

        表1 探究加速度a與力F的關(guān)系

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論1:小車質(zhì)量M一定,a與F成正比,即a∝F.

        (5)控制吊桶質(zhì)量m一定以控制拉力F不變,改變車質(zhì)量M.記錄兩車的總質(zhì)量M1,M2和兩車的位移x1,x2,如表2所示(探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系),改變車質(zhì)量M,重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次.

        表2 探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系

        (6)歸納總結(jié)結(jié)論:a與F成正比,與M成反比.

        5 該裝置的特點(diǎn)

        (1)設(shè)計(jì)思路巧妙,采用“相向?qū)ψ擦糅E法”提高了兩車位移x1和x2記錄的準(zhǔn)確性.

        (2)利用電磁鐵控制小車的釋放,保證了兩車運(yùn)動(dòng)的同時(shí)性.

        (3)通過改變吊桶的重量平衡小車的摩擦力,保證了小車的實(shí)驗(yàn)前合力為零.

        (4)采用三角支架作為實(shí)驗(yàn)臺,保證了操作的高度要求,整個(gè)裝置輕巧便攜.

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