對“作用力與反作用力的關系”實驗的創新

邱會明

(南京金陵中學,江蘇南京210005)

1 引 言

在人教版教材必修1中,為了驗證牛頓第三定律,教材設計了“探究作用力與反作用力的關系”實驗,在“做一做”欄目中又設計了“用傳感器探究作用力與反作用力的關系”實驗,上述2個實驗都是用相互作用的彈力來定量驗證牛頓第三定律.教材在設計“作用力與反作用力的關系”實驗時,忽視了用其他性質的力發生相互作用來定量驗證牛頓第三定律,使得驗證實驗有失普適性.針對該問題,筆者設計出用發生相互作用的滑動摩擦力來定量驗證牛頓第三定律的實驗方案.

2 實驗器材和實驗裝置

實驗器材:電子臺秤、帶鐵夾的鐵架臺、電火花計時器、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程:如圖1所示,在鐵夾前端A和B內側,用萬能膠水各粘上2塊小木塊,使得2塊小木塊相對的面相互平行,在2塊小木塊相對平行的表面,用萬能膠各粘上絨布.

實驗裝置如圖2所示,把特制鐵夾子和電火花計時器分別固定在鐵架臺上,特制鐵夾前端 A和B內側的縫隙呈豎直狀態,使縫隙中心與電火花計時器限位孔在同一條豎直線上.鐵架臺放在電子秤上,紙帶的一端與重物相連,另一端分別穿過特制的鐵夾和電火花打點計時器.實驗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.

圖2 驗證牛頓第三定律的實驗裝置

3 實驗原理

當重物豎直向下運動時,紙帶受到特制夾子豎直向上的滑動摩擦力 f作用,同時,特制夾子要受到紙帶豎直向下的滑動摩擦力 f′作用.對于重物和紙帶,分別受到重力 m g和滑動摩擦力f的作用,由牛頓第二定律得 m g-f=m a,可得f=m g-m a.測出重物的質量,通過紙帶處理得到重物下落的加速度值,查詢當地的重力加速度值,計算出 f的大小,從臺秤可以直接讀出 f′的大小,比較 f和f′大小即可驗證牛頓第三定律.

4 實驗步驟

1)按照圖2裝置安裝實驗器材,在沒有穿紙帶之前,從臺秤讀出鐵架臺(包括電火花計時器、鐵夾子和特制鐵夾子的質量)的示數,記為 M1.把連有紙帶的重物放在鐵架臺上后,從臺秤讀出示數,記為 M2,重物的質量 m=M2-M1.

2)把連有重物的紙帶分別穿過特制鐵夾子的豎直縫隙和電火花打點計時器,旋轉特制鐵夾子的旋鈕,適當調節 A和B間絨布與紙帶的摩擦力,使得紙帶受到較大的滑動摩擦力 f.

3)用手提紙帶使重物靠近特制鐵夾子,接通電火花計時器后,當電子臺秤的示數接近 M1時,釋放重物,同時從臺秤上讀出示數,記為M3.

4)重復上述實驗,記錄數據,給紙帶編號.

5)設計表格,處理實驗數據,并把相關數據填入表格中,比較 f,f′大小,驗證牛頓第三定律.

5 實驗技巧和實驗結果

5.1 紙帶處理技巧

為了測量方便和減少誤差,實驗應選擇點跡清晰、間距適當的紙帶進行處理,考慮到開始運動時不穩定的因素(靜摩擦、瞬時沖擊等),應從紙帶上第5個點后選取計數點,每條紙帶上取6個計數點,相鄰計數點的時間間隔 T=0.04 s,分別測量了6個相鄰計數點與起始點之間的距離,用逐差法計算出重物下落的加速度值.

5.2 電子臺秤的讀數技巧

實驗使用的是凱豐牌電子臺秤,最大稱重為60 kg,分度值為1 g.稱量重物時,臺秤的示數跳躍式變大,待重物靜止時臺秤示數達到最大值,因此,測量M2時要記錄臺秤的最大示數.在釋放重物時,臺秤的示數跳躍式變大,紙帶通過 A和B縫隙后,臺秤的示數跳躍式減小,最后示數為M1.因此,測量M3時要記錄臺秤的最大示數.

5.3 實驗結果

表1為實驗數據,g取9.795 m/s2.從表1中可以看出,在誤差允許的范圍內,f和f′大小相等,這樣就用發生相互作用的滑動摩擦力定量地驗證了牛頓第三定律.

表1 實驗數據