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给我一个支点,我就能撬起整个地球!
DFH12PPtE2z DFH12PPtE2z 2019-03-05 18:57:34
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简单

课题:通过拉力计探究学习杠杆相关知识

一、 探究知识点: 

    1、 了解杠杆的组成部分:动力臂、阻力臂、动力、阻力、支点

     2、 探究杠杆的平衡条件 

    3、 分析杠杆的种类,以及其不同特点 

附加知识: 1、了解胡克定律,制作拉力计 

二、准备材料: 

1、Arduino uno板 1块 

2、Arduino uno扩展板 1块 

3、角度传感器 1个 

4、齿轮 1个 

5、齿条 2条

 6、质地均匀皮筋 1条 

7、圆木棒 2根 

8、雪糕棒 1根 

9、胶枪以及其他结构辅材(板、梁、轴和短插销等) 

10、电脑一部 

第一部分:准备工作,制作一个拉力计

     中学物理力学弹性理论学习过一个胡克定律,即固体材料受力之后,材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系。其表达式为F=k·x或△F=k·Δx,其中k是常数,是物体的劲度(倔强)系数。当时我们做过实验,弹簧在发生弹性形变时,弹簧的弹力F和弹簧的伸长量成正比。其实质地均匀的皮筋也满足该规律。

今天我们就用皮筋和角度传感器制作一个拉力计。

步骤1 步骤1
将齿轮和角度传感器的旋钮用胶枪粘合一起
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步骤2 步骤2
通过两根圆木棒以及梁和板制作滑动槽,固定角度传感器滑动
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步骤3 步骤3
固定齿条,使其能够与齿轮贴合。通过另外一根齿条的光滑面来固定齿轮的移动
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步骤4 步骤4
固定皮筋,调整结构,要求齿轮能够很好与齿条啮合,皮筋能够控制角度传感器滑动,并能够使其自动回到起点
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第二部分:制作一个简单的杠杆结构,并开始试验

角度传感器接到AO端口,编的程序很简单,只需人物读取角度传感器的反馈值就可以啦。

如下图

projectImage

等臂杠杆如下图,另外增加一个定滑轮,方便拉力计去拉动杠杆。

projectImage

试验一,步骤1:首先测量重物重量,并做记录。

把重物挂在拉力计上进行测量,并通过mind+读取反馈值。

注意:在试验过程中有偏差,可以多测试几次。

我在这里记录了十组数据:291/284/287/292/270/275/281/286/279/288,平均值为:283.3

根据标准差计算公式得出标准差为:6.694027

(方差s^2=[(x1-x)^2+(x2-x)^2+......(xn-x)^2]/n ,标准差=方差的算术平方根)

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提示:

在测量过程中由于各种影响因素,数值会有误差,有时会波动比较大,但是测量时让物体静止一会儿,待读数跳动趋于稳定时再读数会相对准确一点。

试验一,步骤2:通过等臂杠杆的一端去拉动重物,测量并记录数据。

为了尽量缩小误差,尝试多次测量并记录数据。

同样的记录十组数据:323/318/321/330/314/311/322/317/327/324,平均值为:320.7

标准差为5.514526

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理论推算两组数据应该很接近,或者说差别很小的,但是从折线图对比来看,两组数据偏差比较大,说明中间存在其他误差原因。

分析:

记录的第一组数据为直接提重物的数值,没有其他摩擦力,只有角度传感器与限位卡槽之间的摩擦。

第二组数据为通过定滑轮拉动灯臂杠杆所得的值,中间除了角度传感器与限位卡槽之间的摩擦,还多了一个线与定滑轮之间的摩擦,为了准确,还需要测量一组通过定滑轮提升重物的数据。

试验一,步骤3:测量通过定滑轮提升重物的数值

并记录相关数据,同样记录十组:321、310、333、332、326、317、327、318、324、320

平均值为:322.8,标准差为:6.705221846

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生成三组数据的折线图,对比发现,同样通过定滑轮测量得到的二组和三组数据关联程度更高。

此时第一个实验基本得出第一个结论:

通过等臂杠杆提升重物所用力量,和直接提升重物所用力量大小一样。

实验二:测量不等臂杠杆的特点。

       步骤1:先测量二分之一位置

同样测验获得十组数据,并记录:647、655、650、636、640、643、635、641、645、639

平均值为:643.1,标准差为5.957348403

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通过二组和三组的平均值和四组的平均值对比计算,以及相关数据的柱状图来看,二三组平均数基本是第四组平均数的一半。

实验二,步骤2:测四分之三位置

测量拉力计在四分之三位置的拉力值,

并记录相关数值:429、426、415、425、429、430、432、409、427、435

平均数为:425.7,标准差为:7.497332859

通过数空位可以大致确认四分之三位置。

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通过上图我们可以观察发现,力臂越短提升重物所用的力量越大。所得数值也基本满足杠杆平衡条件,L1*F1=L2*F2(第二、第三组数据得平均值乘以2所得值,大致等于力臂一半的第四组数据的平均值)(四分之三力臂位置测量得到的第五组数据的平均值乘以四分之三,大致等于第二第三组数据的平均值)

此时第二个实验基本可以总结如下结论:

1、通过不等臂杠杆提升重物时,力臂越短所用的力越大。

     相反的可以推理出另外一个结论,通过不等臂杠杆提升重物时,力臂越长所用的力越小。

2、杠杆平衡条件:L1*F1=L2*F2(其中L为力臂长度,F为相应的力的大小)

总结: 划重点! 划重点!! 划重点!!!

一、杠杆组成的基本要素:动力、动力臂、阻力、阻力臂、支点

二、1、杠杆的种类及特定:等臂杠杆,既不省力与不费力;

       2、动力臂短的费力杠杆,用力提升重物会费力;

       3、动力臂长的省力杠杆,用力提升重物会省力。

       4、杠杆平衡条件:L1*F1=L2*F2(其中L为力臂长度,F为相应的力的大小)

备注:杠杆还有一个移动距离的关系问题,有兴趣的可以自己测试一下。

备注:给你一个支点,你是否真的能够撬动地球?用兴趣的自己算一下。

Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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