下面以“探究加速度与质量、力之间的关系”的实验为例,简要探讨如何进行科学探究和书写实验报告。
实验原理及实验方案:牛顿第一定律告诉我们,力并不是维持物体运动状态的原因,而是改变物体运动状态的原因。简而言之,物体运动状态的改变体现在速度的改变上,而速度发生变化就表明物体具有加速度,因此可以说力是使物体产生(或具有)加速度的原因。同是一辆静止的汽车,施加的牵引力越大,至某一速度所需要的时间越短。由此我们不妨假设加速度与力成一次函数a=kF+b,同时假设b=0。假设成立与否,还需要用实验探究和验证。同时,物体的质量越大即惯性越大,物体的运动状态就越难以发生改变,即加速度越小,由此我们不妨假设a=b+1/km,同时假设b=0。由此,我们现在所要探究的加速度是同时与力、质量有关的,那么又有怎样的关系呢?按照哲学上的观点,物体运动状态的变化情况是由合外力(外因)和质量(内因)共同决定的,合外力和质量两个因素统一于影响物体运动状态的改变过程当中,同时又是矛盾的。合外力促使加速度的产生,质量则维持原有状态不变,阻碍加速度的产生。在物理学中我们研究一个物理量同时与两个或多个物理量(或因素)有关的多元问题的基本方法就是控制变量法,即先保持其他物理量(或因素)不变,逐步分析所求物理量与其中某一物理量的关系,而后总结出这几个量之间的关系。因此,我们可以首先固定质量,探究加速度与力之间的关系;而后固定合外力,探究加速度与质量间的关系;最后总结出加速度与合外力、质量的关系。
如果a=k1F成立,反映在a-F图线上就应该是条过原点的倾斜的直线;如果a=k2m成立,反映在a-m图线上就应该是条双曲线,然而真实地判断该图线是否是双曲线是比较复杂的,不过我们可以变换角度,将a与m成反比转化为a与1/m成正比,即反映在a-1/m图线上就是一条过原点的倾斜的直线。但加速度是不易测量的,因此我们需将其转化为位移,而且我们所探求的主要是a与F、m间的关系,从另一个角度也说明无须求解a的实际值。设计实验时使小车做初速度为0的匀加速直线运动,同时将小车放在相同的位置,并同时打开和关闭文件夹使两小车运动的时间相等,由s=at2/2便可得出a1/a2=s1/s2。这样就将加速度转化为位移,以后做就好的多了。
教材给出了实验装置,但不甚好。一方面严格的光滑水平木板是没有的,普通实验室中的木板大都相当粗糙,不符合实验要求;另一方面,若往小盘中放砝码,好多同学放置的大都不是比较均匀,然而这样做很容易带来相当大的误差。改进后的实验装置如下图:
实验器材:上部有凹槽的小车两个,一端带有定滑轮的长直木板两个,大型文件夹一个,砝码若干,勾码若干,细线若干,刻度尺一把。
为记录小车的加速度,我们可以采用打点纸带,同时为避免小车与定滑轮的碰撞,可以在小车后拴两条较长的细线,细线的另一端加以固定。本实验方案舍弃砝码盘,而采用勾码,可以保证拉力在一条直线上,增减勾码即改变了小车受到的拉力。在小车上增减砝码的质量,即改变了小车的质量。
为得到近似光滑的长直木板,我们通常采用平衡摩擦力的方法:不加砝码,不系细线,试探着移动垫木,使放置在斜面上的小车近似做匀速直线运动,此时物体受G、N、f三个力的作用而处于平衡,合力为0,得Gx=f,两力的作用效果相互抵消,就相当于f不存在。而当小车受到细线的拉力后,就相当于仅受该拉力的作用。我们判断小车是否近似做匀速直线运动时,可以在长直木板有刻度尺的一侧,选择相距较远的相等的两段位移,轻推使小车使其具有某一速度,若发生两段位移所需时间大致相等,就表明小车近似做匀速直线运动。
实验步骤:
1.平衡摩擦力。
2.按照实验将各器材有机组合起来,并检验是否正确。
3.保证两小车所挂勾码的质量不变(勾码质量均为40.0g),按照表格中的数据依次改变小车上砝码的质量,即保证小车所受合外力不变而改变小车的质量,开启文件夹,两小车同时运动,后关闭文件夹,两小车同时停止运动。测量两小车各自发生的位移,并记录到表格中。
4.保证两小车所置砝码的质量相等(两小车的质量均为200g+100g(砝码)),按照表格中的数据依次改变小车所挂勾码的质量,即保证小车质量不变而改变小车所受合外力,开启文件夹,两小车同时运动,后关闭文件夹,两小车同时停止运动。测量两小车各自发生的位移,并记录到表格中。
5.拆除实验装置。
实验数据:
小车1
小车2
勾码质量m1/g
位移x1/cm
勾码质量m2/g
位移x2/cm
20.0
16.0
30.0
25.0
20.0
15.5
40.0
37.0
20.0
13.0
50.0
42.0
20.0
12.0
60.0
18.0
20.0
10.0
70.0
53.0
小车1
小车2
小车质量m1/g
位移x1/cm
小车质量m2/g
位 移x2/cm
200g+100g
46.0
200g+100g
61.5
200g+100g
51.5
200g+200g
39.5
200g+100g
60.0
200g+300g
34.0
200g+100g
59.8
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