探究影响空气阻力的因素
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探究影响空气阻力的因素
【实验目的】
探究影响空气阻力的因素
【实验原理】
设:一块平板以v的速度运动,且v的方向垂直平面S,其受流体阻力为F.
(如图1)。
以平板为参考系,则上述运动状况等效于流体以v的速度垂直撞击平板。(如图2)。
在Δt的时间内,则:流体有底面积为S
,高为的流体柱撞击平面(如图3)。
流体柱的体积V=S·vΔt
流体柱的质量m=ρV=ρSvΔt
撞击后,流体以v的速度被反射(如图4)。
在Δt时间内的全过程中:
由牛顿第三定律得:平板对流体的作用力F N=-F
由动量定理得:
F N·Δt=m(-v)-mv
解得:F合=mg-2ρv2S
对实验中的钩码-减速伞装置进行受力分析(以竖直方向为正方向)
F合=mg-F f
根据导出公式:F f=2ρv2S
得:F合=mg-2ρv2S
v
图1
v
图2
v v
图4
则:钩码加速度:2222v m
S g m S v mg m F a ρρ-=-==合
在Δt 时间内,钩码-减速伞装置的速度由v 变为(v +Δv ),位移了Δx .
当Δt →0时,则:Δv →0, 2
222Sv mg v
mv v m
S g v v a v v t v x ρρ-∆=-∆=∆=∆=∆ 移项,得:
22Sv mg mv v x 设:在实验过程中,减速伞装置的位移关于速度v 的函数表 达式为x (v ).
则:20
2)('lim Sv mg mv
v x v x v 将x '(v )积分解得x (v ).
[]
2
22022
02ln 4)2ln(ln 4)0ln(4)2ln(4)2ln(4)(2)()()(Sv mg mg S m Sv mg mg S m mg S m Sv mg S m
Sv mg S
m v d Sv mg mv v d v x v x v
v
v ρρρρρρρρρρ-=--=
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-----=--=-⎰='⎰=
2
2ln 4)(Sv mg mg
S m v x ρρ-=
∴ 【实验器材】
8开素描纸、吸管、废旧笔芯、细棉线、硬纸板、铁架台、钩码、刻度尺、
托盘天平、滑轮、打点计时器、纸带、纸夹、学生电源、海绵垫、透明胶带
【实验步骤】
伞面制作:
1、用刻度尺测量8开素描纸的边长。
2、取8开的素描纸延其对边对折,裁剪,得到两张16开纸,取16开的素描
纸延其对边对折,裁剪,得到两张32开纸,取32开的素描纸延其对边对折,裁剪,得到两张64开纸.
3、取16开纸,测出每边中点得到一个菱形,并将其剪裁下来,取16开纸,
测出其长边中点,与另一长边的两顶点相连接,对折,剪裁,得到一三角形伞面。
骨架零部件制作:
1、用外径为5毫米,内径为3毫米的废旧笔芯,直径为3毫米,管壁较薄的
吸管,利用吸管直径与笔芯内径相同,可以用废旧笔芯连接吸管。 2、将废旧笔芯截成2厘米的十段,截出十五段制成外接管,截出10厘米的废
旧笔芯两段。
3、取一个2厘米的外接管和两段1厘米的外接管,将两个1厘米的外接管一
端加热至溶化,并对称固定在2厘米外接管中部,制得一个十字外接管,再将吸管一端烫溶,固定在一个2厘米的外接管中部,制成四个T 形架,然后将两根吸管一端烫溶,固定在一起,制成十六个直角弯管,按菱形伞面的四个顶角,制成与之匹配的四个“个”形架,在用同一种方法,按三角形的伞面的三个顶角制成三个与顶角相匹配的支架。
伞的组装:
1、将骨架零部件根据选择的伞面组装成相应的骨架,在骨架角上分别系上与
其短边长度相等的细棉线,并将棉线另一端打成一个结
2、将伞面用纸夹固定在骨架上,将调好的托盘天平的左右两盘上都放上200
实验材料—骨架(长方形)
实验材料—骨架(三角形)
骨架零部件处理
克的砝码
3、在右盘砝码上系上细棉,细棉线一端系上一个
纸夹,同时在右盘上放一个纸夹,用以平衡重力。 4、通过定滑轮将伞的重力作用于天平右盘,使天
平平衡所需的砝码质量通过该装置可为伞陪重,用硬纸板添加于阻力伞上配重成10克,并固定于阻力伞上,调节伞线长度,使伞面水平。 正式实验:
1、将打点计时器安装在铁架台上,并接在学生电
源上,在打点计时器的正下方放上海绵垫用于保护砝码 。
2、用纸夹将纸带固定在大的长方形伞上,在细棉线上
挂上两个50克得砝码,接通电源,随后释放伞,得到一条纸带,再切断电源。
3、用纸夹将纸带固定在中等大小长方
形伞上,在细棉线上挂上两个50克得砝码,接通电源,随后释放伞,得到一条纸带,再切断电源。 4、用纸夹将纸带固定在小的长方形伞
上,在细棉线上挂上两个50克得砝码,
接通电源,随后释放伞,得到一条纸带, 再切断电源。
5、用纸夹将纸带固定在中等大小长方
形伞上,在细棉线上挂上一个50克得砝码,接通电源,随后释放伞,得到一条纸带,再切断电源。 6、用纸夹将纸带固定在中等大小长方
形伞上,在细棉线上挂上三个50克
实验——长方形
实验器材
伞的配重