对“作用力与反作用力的关系”实验的创新

邱会明

(南京金陵中学,江苏南京210005)

1 引 言

在人教版教材必修1中,为了验证牛顿第三定律,教材设计了“探究作用力与反作用力的关系”实验,在“做一做”栏目中又设计了“用传感器探究作用力与反作用力的关系”实验,上述2个实验都是用相互作用的弹力来定量验证牛顿第三定律.教材在设计“作用力与反作用力的关系”实验时,忽视了用其他性质的力发生相互作用来定量验证牛顿第三定律,使得验证实验有失普适性.针对该问题,笔者设计出用发生相互作用的滑动摩擦力来定量验证牛顿第三定律的实验方案.

2 实验器材和实验装置

实验器材:电子台秤、带铁夹的铁架台、电火花计时器、重锤、特制的铁夹、220 V交流电源、纸带若干.

图1 特制铁夹子

特制铁夹子的制作过程:如图1所示,在铁夹前端A和B内侧,用万能胶水各粘上2块小木块,使得2块小木块相对的面相互平行,在2块小木块相对平行的表面,用万能胶各粘上绒布.

实验装置如图2所示,把特制铁夹子和电火花计时器分别固定在铁架台上,特制铁夹前端 A和B内侧的缝隙呈竖直状态,使缝隙中心与电火花计时器限位孔在同一条竖直线上.铁架台放在电子秤上,纸带的一端与重物相连,另一端分别穿过特制的铁夹和电火花打点计时器.实验前用手提着纸带的一端,让重物靠近特制铁夹子并使纸带处于竖直状态.

图2 验证牛顿第三定律的实验装置

3 实验原理

当重物竖直向下运动时,纸带受到特制夹子竖直向上的滑动摩擦力 f作用,同时,特制夹子要受到纸带竖直向下的滑动摩擦力 f′作用.对于重物和纸带,分别受到重力 m g和滑动摩擦力f的作用,由牛顿第二定律得 m g-f=m a,可得f=m g-m a.测出重物的质量,通过纸带处理得到重物下落的加速度值,查询当地的重力加速度值,计算出 f的大小,从台秤可以直接读出 f′的大小,比较 f和f′大小即可验证牛顿第三定律.

4 实验步骤

1)按照图2装置安装实验器材,在没有穿纸带之前,从台秤读出铁架台(包括电火花计时器、铁夹子和特制铁夹子的质量)的示数,记为 M1.把连有纸带的重物放在铁架台上后,从台秤读出示数,记为 M2,重物的质量 m=M2-M1.

2)把连有重物的纸带分别穿过特制铁夹子的竖直缝隙和电火花打点计时器,旋转特制铁夹子的旋钮,适当调节 A和B间绒布与纸带的摩擦力,使得纸带受到较大的滑动摩擦力 f.

3)用手提纸带使重物靠近特制铁夹子,接通电火花计时器后,当电子台秤的示数接近 M1时,释放重物,同时从台秤上读出示数,记为M3.

4)重复上述实验,记录数据,给纸带编号.

5)设计表格,处理实验数据,并把相关数据填入表格中,比较 f,f′大小,验证牛顿第三定律.

5 实验技巧和实验结果

5.1 纸带处理技巧

为了测量方便和减少误差,实验应选择点迹清晰、间距适当的纸带进行处理,考虑到开始运动时不稳定的因素(静摩擦、瞬时冲击等),应从纸带上第5个点后选取计数点,每条纸带上取6个计数点,相邻计数点的时间间隔 T=0.04 s,分别测量了6个相邻计数点与起始点之间的距离,用逐差法计算出重物下落的加速度值.

5.2 电子台秤的读数技巧

实验使用的是凯丰牌电子台秤,最大称重为60 kg,分度值为1 g.称量重物时,台秤的示数跳跃式变大,待重物静止时台秤示数达到最大值,因此,测量M2时要记录台秤的最大示数.在释放重物时,台秤的示数跳跃式变大,纸带通过 A和B缝隙后,台秤的示数跳跃式减小,最后示数为M1.因此,测量M3时要记录台秤的最大示数.

5.3 实验结果

表1为实验数据,g取9.795 m/s2.从表1中可以看出,在误差允许的范围内,f和f′大小相等,这样就用发生相互作用的滑动摩擦力定量地验证了牛顿第三定律.

表1 实验数据