吳雨珣 游 雁 方思云 陳志華 馮卓宏,2 賈翠紅,2
(1.福建師范大學物理與能源學院,福建 福州 350117;2.福建師范大學物理學國家級實驗教學示范中心,福建 福州 350117)
近幾年來,生活情境問題逐漸被引入中學物理教學,激發(fā)了學生的探究熱情,更好地培養(yǎng)學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力,進而提升學生的核心素養(yǎng).[1,2]與此同時,高考物理卷也通過真實情境類試題來進行能力考核.[3,4]2019年及2020年,北京高考就分別考查了生活中常見的雨滴下落以及旋轉(zhuǎn)籃球的運動問題,研究了空氣阻力對物體運動狀態(tài)的影響.[5,6]
空氣阻力系數(shù)是研究空氣阻力的重要參量,與空氣的粘滯系數(shù),物體的運動速度以及物體的迎風面積有關(guān).[7]空氣阻力是變力,其大小隨著物體運動速度的變化而發(fā)生變化,不易于直接測量.針對這類問題,新魯科版物理教材給出了解決思路.必修教材第1冊第2章第2節(jié)在勻變速直線運動位移公式推導過程的“方法點撥”中提出了無限元分割求和的方法,必修教材第2冊第1章第1節(jié)機械功的“拓展一步”中也通過圖像分割法研究變力做功.利用微元法解決變速、變力過程是高中物理的解題方法之一,[8-10]能夠清晰、簡潔地解決相對較復雜的物理問題,提升對物理概念的理解,同時也是培養(yǎng)學生解決問題能力及開展物理延展式教學的有利途徑.[11,12]
在此基礎上,本文利用微元求和思想設計了測量空氣阻力系數(shù)的新方法.在原有單擺裝置基礎上,引入高精度轉(zhuǎn)動傳感器作為擺頭,選擇合適長度的細擺繩及較大尺寸的擺球,使擺球在空氣阻力下做欠阻尼擺動.設定合適的數(shù)據(jù)采集頻率,測量得到任意時刻的擺動角度及角速度,計算微小時間間隔內(nèi)阻力所做功,并利用微元求和得到多個周期擺動后空氣阻力所做的總功.以能量守恒為基礎,結(jié)合擺球重力勢能改變量準確測定實驗環(huán)境的空氣阻力系數(shù).
質(zhì)量為m的擺球在豎直面內(nèi)擺動,如圖1所示,擺長為L.設擺球以初始擺角θ1開始擺動,在擺動過程中分別受到重力、擺繩拉力及空氣阻力的作用,其中,空氣阻力起到阻礙作用,使得擺動幅度逐漸減小.設擺動n個周期后擺角減為θ2,此時擺球的動能為0,擺動過程中重力勢能減少量為
圖1 實驗原理圖
某一時刻擺球受到的空氣阻力f為[13,14]
式中,B表示阻力系數(shù),v和ω分別表示該時刻擺球的擺動線速度和角速度.在一較短的時間間隔Δt內(nèi),擺球擺過角度為Δθ,移動路程為Δs,則空氣阻力所做的功可以表示為
由能量守恒可知,擺動n個周期后,擺球重力勢能的變化量等于擺動過程中克服阻力所做的功,即
聯(lián)立以上式子可得到空氣阻力系數(shù)
通過PASCO系統(tǒng)實時測量擺球的角速度和擺角,得到如圖2所示的ω-θ關(guān)系曲線.在圖像中取微元,如圖2陰影部分,其面積為ωΔθ,再通過微元求和的方式得到曲線下方的總面積∑ωΔθ,代入(5)式就可以準確測定空氣阻力系數(shù).
圖2 微元ωΔθ計算示意圖
本實驗采用PASCO的PS-2020A型轉(zhuǎn)動傳感器作為擺頭.該傳感器通過帶有斷續(xù)器的齒輪切割光電門進行轉(zhuǎn)動角度的測量,其內(nèi)部的光學碼盤每轉(zhuǎn)(360°)有4000個分度,最大轉(zhuǎn)動速度為每秒30轉(zhuǎn),測量的分辨率為0.09°,能夠?qū)崿F(xiàn)正負方向角度變化的持續(xù)測量.一輕質(zhì)且線徑較小細線的一端與轉(zhuǎn)動傳感器三級滑輪的螺栓相系并緊固,保證轉(zhuǎn)動傳感器與擺線同步轉(zhuǎn)動,另一端連接一直徑為0.09914 m,質(zhì)量為0.52886 kg的大擺球,使大擺球在鉛直平面內(nèi)擺動,實驗裝置如圖3所示.實驗中,擺長為0.9836 m,采樣頻率為40 Hz,通過PASCO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集擺球擺動的擺角θ和角速度ω.
圖3 實驗裝置示意圖
采用大擺球進行實驗,以增大空氣阻力的作用.實驗前,設置相同初始擺角,測得安裝轉(zhuǎn)動傳感器情況下,擺球從起擺到靜止所耗費的時間為6分40秒,而擺球直接懸掛于普通擺頭的情況下所耗費的時間為6分43秒.由此可見,轉(zhuǎn)動傳感器的轉(zhuǎn)軸阻力可以忽略,球體在擺動過程中受到的阻力近似只來自于空氣阻力.
通過采集軟件得到部分實時數(shù)據(jù),如圖4所示.從圖中可見,擺角θ和對應的角速度ω均隨時間呈現(xiàn)周期性變化,擺角最大處角速度為0,擺角為0處角速度最大,但擺動幅度及角速度最大值均隨擺動時間的增加而逐漸減小.可見,在擺動過程中擺球的機械能逐漸減少.
圖4 擺角θ、角速度ω隨時間t變化規(guī)律
通過實時采集的數(shù)據(jù)就可以描繪角速度ω隨擺角θ變化的ω—θ曲線,如圖5所示.然后利用數(shù)據(jù)處理軟件即可計算曲線所圍成圖形的總面積∑ωΔθ,進而得到實驗環(huán)境下空氣的阻力系數(shù).本實驗中空氣阻力是一個微小物理量,為使阻力對擺球運動狀態(tài)的影響效果更加明顯,圖5中選取了36個周期的數(shù)據(jù)進行求和計算.由于空氣阻力做負功,隨著擺動時間增加,圖像呈現(xiàn)內(nèi)螺旋狀變化,擺動最高點對應的角度及擺動最低點的速度不斷減小.通過origin軟件對ω—θ數(shù)據(jù)進行分析并計算數(shù)據(jù)采集時間間隔內(nèi)兩者所圍成的面積,求和所得結(jié)果計算出擺動36個周期總面積Sω-θ的大小,即 ∑ωΔθ=58.20 rad2/s.通過原始實時數(shù)據(jù)記錄確定擺角θ1與θ2分別為0.463 rad與0.358 rad,根據(jù)公式 (5)得到實驗環(huán)境下空氣的阻力系數(shù)B=3.788×10-3kg/s.
圖5 擺動過程中角速度與擺角的關(guān)系
為了進一步驗證實驗結(jié)果的可靠性,在同一實驗環(huán)境下,探究阻力系數(shù)與擺長的關(guān)系,結(jié)果如表1所示.不同擺長的情況下測得的阻力系數(shù)基本相同,其平均值為3.947×10-3kg/s,均方差大小為0.060,說明該方案重復可靠性高且測量結(jié)果較為準確.
表1 不同擺長的阻力系數(shù)
本文利用微元法的思想設計實驗方案測量了空氣阻力系數(shù).實驗在單擺裝置基礎上,利用高頻轉(zhuǎn)動傳感器測量擺動過程的實時擺角、角速度,計算微小時間間隔內(nèi)空氣阻力做功,結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件的積分功能得到了擺動36個周期后空氣阻力所做總功.以此為基礎,通過能量守恒定律,結(jié)合重力勢能改變量測定實驗環(huán)境的空氣阻力系數(shù)為3.947×10-3kg/s.在保證相同實驗環(huán)境前提下,測量了不同擺長情況下的空氣阻力系數(shù),所得結(jié)果基本一致,證明了該方法的可靠性.
本實驗方案操作簡單,采集數(shù)據(jù)可靠,結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件能夠快速、準確地測定空氣的阻力系數(shù),具有一定的應用價值.此外,這種利用微元法處理變力做功問題的思路有助于開闊學生視野,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,具有實踐教育意義.