對(duì)“作用力與反作用力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新

邱會(huì)明

(南京金陵中學(xué),江蘇南京210005)

1 引 言

在人教版教材必修1中,為了驗(yàn)證牛頓第三定律,教材設(shè)計(jì)了“探究作用力與反作用力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),在“做一做”欄目中又設(shè)計(jì)了“用傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)都是用相互作用的彈力來(lái)定量驗(yàn)證牛頓第三定律.教材在設(shè)計(jì)“作用力與反作用力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí),忽視了用其他性質(zhì)的力發(fā)生相互作用來(lái)定量驗(yàn)證牛頓第三定律,使得驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)有失普適性.針對(duì)該問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)出用發(fā)生相互作用的滑動(dòng)摩擦力來(lái)定量驗(yàn)證牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)方案.

2 實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)器材:電子臺(tái)秤、帶鐵夾的鐵架臺(tái)、電火花計(jì)時(shí)器、重錘、特制的鐵夾、220 V交流電源、紙帶若干.

圖1 特制鐵夾子

特制鐵夾子的制作過(guò)程:如圖1所示,在鐵夾前端A和B內(nèi)側(cè),用萬(wàn)能膠水各粘上2塊小木塊,使得2塊小木塊相對(duì)的面相互平行,在2塊小木塊相對(duì)平行的表面,用萬(wàn)能膠各粘上絨布.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,把特制鐵夾子和電火花計(jì)時(shí)器分別固定在鐵架臺(tái)上,特制鐵夾前端 A和B內(nèi)側(cè)的縫隙呈豎直狀態(tài),使縫隙中心與電火花計(jì)時(shí)器限位孔在同一條豎直線上.鐵架臺(tái)放在電子秤上,紙帶的一端與重物相連,另一端分別穿過(guò)特制的鐵夾和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器.實(shí)驗(yàn)前用手提著紙帶的一端,讓重物靠近特制鐵夾子并使紙帶處于豎直狀態(tài).

圖2 驗(yàn)證牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)重物豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí),紙帶受到特制夾子豎直向上的滑動(dòng)摩擦力 f作用,同時(shí),特制夾子要受到紙帶豎直向下的滑動(dòng)摩擦力 f′作用.對(duì)于重物和紙帶,分別受到重力 m g和滑動(dòng)摩擦力f的作用,由牛頓第二定律得 m g-f=m a,可得f=m g-m a.測(cè)出重物的質(zhì)量,通過(guò)紙帶處理得到重物下落的加速度值,查詢當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?計(jì)算出 f的大小,從臺(tái)秤可以直接讀出 f′的大小,比較 f和f′大小即可驗(yàn)證牛頓第三定律.

4 實(shí)驗(yàn)步驟

1)按照?qǐng)D2裝置安裝實(shí)驗(yàn)器材,在沒(méi)有穿紙帶之前,從臺(tái)秤讀出鐵架臺(tái)(包括電火花計(jì)時(shí)器、鐵夾子和特制鐵夾子的質(zhì)量)的示數(shù),記為 M1.把連有紙帶的重物放在鐵架臺(tái)上后,從臺(tái)秤讀出示數(shù),記為 M2,重物的質(zhì)量 m=M2-M1.

2)把連有重物的紙帶分別穿過(guò)特制鐵夾子的豎直縫隙和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,旋轉(zhuǎn)特制鐵夾子的旋鈕,適當(dāng)調(diào)節(jié) A和B間絨布與紙帶的摩擦力,使得紙帶受到較大的滑動(dòng)摩擦力 f.

3)用手提紙帶使重物靠近特制鐵夾子,接通電火花計(jì)時(shí)器后,當(dāng)電子臺(tái)秤的示數(shù)接近 M1時(shí),釋放重物,同時(shí)從臺(tái)秤上讀出示數(shù),記為M3.

4)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),記錄數(shù)據(jù),給紙帶編號(hào).

5)設(shè)計(jì)表格,處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并把相關(guān)數(shù)據(jù)填入表格中,比較 f,f′大小,驗(yàn)證牛頓第三定律.

5 實(shí)驗(yàn)技巧和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 紙帶處理技巧

為了測(cè)量方便和減少誤差,實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇點(diǎn)跡清晰、間距適當(dāng)?shù)募垘нM(jìn)行處理,考慮到開始運(yùn)動(dòng)時(shí)不穩(wěn)定的因素(靜摩擦、瞬時(shí)沖擊等),應(yīng)從紙帶上第5個(gè)點(diǎn)后選取計(jì)數(shù)點(diǎn),每條紙帶上取6個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔 T=0.04 s,分別測(cè)量了6個(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)與起始點(diǎn)之間的距離,用逐差法計(jì)算出重物下落的加速度值.

5.2 電子臺(tái)秤的讀數(shù)技巧

實(shí)驗(yàn)使用的是凱豐牌電子臺(tái)秤,最大稱重為60 kg,分度值為1 g.稱量重物時(shí),臺(tái)秤的示數(shù)跳躍式變大,待重物靜止時(shí)臺(tái)秤示數(shù)達(dá)到最大值,因此,測(cè)量M2時(shí)要記錄臺(tái)秤的最大示數(shù).在釋放重物時(shí),臺(tái)秤的示數(shù)跳躍式變大,紙帶通過(guò) A和B縫隙后,臺(tái)秤的示數(shù)跳躍式減小,最后示數(shù)為M1.因此,測(cè)量M3時(shí)要記錄臺(tái)秤的最大示數(shù).

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),g取9.795 m/s2.從表1中可以看出,在誤差允許的范圍內(nèi),f和f′大小相等,這樣就用發(fā)生相互作用的滑動(dòng)摩擦力定量地驗(yàn)證了牛頓第三定律.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)