图1 拉力值
图1中的Y值,就是拉力数值,实验中选取了平稳后一段的拉力平均值。由传感器记录的数据的图像可知,初始段拉力逐渐增大,后期才趋于恒定。因此中考题中选择活塞刚被拉动时读数,数据处于不稳定状态,是不科学的。同时,初始段拉力值明显小于稳定时的读数,这正是由于残余空气的影响。
三、实验验证
纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。通过实验来证明测力计何时读数最具有说服力。这个实验的器材很容易获得,在家里就可以完成实验。
1、实验器材:
威恒电子秤(误差小于5g)、注射器(1ml、2.5ml、5ml、10ml各一个)、细绳套、刻度尺
图2 实验器材
实验时,电子秤要水平使用,无法通过秤自身校对功能来消除挂钩重力的影响,因此实验前用钳子摘掉挂钩。电子秤有一个优点就是使用过程中只有拉力数据在一定时间段内达到稳定时才会锁定数据,这功能相当于前面论文中采用拉力传感器测量数据并取平均值,因此使用电子秤比弹簧测力计误差小且准确。
2、实验步骤
①将绳套套在活塞尾端,另一端拴在电子秤拉力环上。
②将测力计活塞推到针筒顶端,用手指堵住针筒前端小孔。
③缓慢水平拉动电子秤(或反向拉动针筒),直至读数稳定并被锁定。
④将实验数据填入表格并计算大气压强。
⑤换用不同注射器完成上述步骤。
实验时,使用手机对实验过程进行了全程录像。
图3 实验录像截屏
笔者选取了使用5ml注射器进行的多次实验中的一次实验录像,利用VideoSnapshotsGenius软件每隔一1s截屏一次,以清晰展示拉力的变化。由截图可知,电子秤在拉动活塞的中后期,数据才趋于稳定并被记录。
3、实验数据
表1 实验数据记录表
说明:电子秤测量的数据是来自于对挂钩的拉力,但是呈现的数据以kg为单位,我们通过计算可得出挂钩上的拉力(g取9.8N/kg)。缓慢拉动时认为活塞受力平衡,在忽略摩擦的情况下,大气压力和拉力相等。注射器满刻度标注的是容积V,用刻度尺测出满刻度的长度L,由公式 可计算出活塞的横截面积,再利用公式 就可以计算得出大气压强的值。
通过实验数据可以发现,使用1ml的注射器实验误差最大,主要原因是实验时所需拉力较小,实验中摩擦力的影响大造成的测量值偏大。经过测量,10ml注射器摩擦阻力大约是5ml注射器的二倍,因此测量值误差也比较大。通过比较,比较常见的5ml注射器是最理想的实验器材。
4、实验拓展及数据处理
选用5ml的注射器继续做拓展实验。
⑥将注射器吸入适量水,朝上推活塞到顶端排出空气。重复前面实验步骤。将数据记入表格2。
⑦在不封堵小孔的情况下拉动电子秤,重复多次,测到滑动摩擦力的平均读数为0.145kg。计算出摩擦力值1.421N。用步骤⑥测得拉力减去摩擦力,得到修正后的大气压力值,将数据计入表格2。