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然而,在测量纸带点距时,他们又遇到了问题。
纸带上点的间隔并不完全均匀,存在微小的波动。
应该测量哪一段?怎么测?“取中间一段比较均匀的!”
赵鹏建议。
“不行,”
凌凡再次否定,“打点计时器打点频率是固定的(50hz),两点间时间间隔t=002s是确定的。
我们应该逐段测量位移,然后用逐差法计算加速度,这样才能充分利用数据,减小偶然误差。”
这是他在预习实验报告时学到的方法。
他耐心地解释:测量连续相等时间间隔t内的位移x1,x2,x3,然后利用公式Δx=at2,a=(x4+x5+x6-x1-x2-x3)(9t2)来计算a,可以抵消掉一些系统误差。
赵鹏听得头大:“这么复杂?直接拿最后一段位移算一下不行吗?”
“那样误差大,不科学。”
凌凡坚持道。
他拿起刻度尺,小心翼翼地逐个测量点距,同组女生认真记录。
数据处理过程更是繁琐。
计算位移差,代入公式,计算加速度a。
然后改变砝码质量(5g,10g,15g,20g),保持小车质量不变,重复上述过程,得到多组f(≈g)和a的数据。
接下来,保持拉力f不变(挂20g砝码),通过在小车上加配重来改变质量(220g,240g,260g,280g),再次测量对应的加速度a。
整个实验过程,充满了各种意想不到的“小麻烦”
:滑轮有点卡顿、纸带偶尔打点不清晰、测量读数时的估读误差、计算时的四舍五入……每一个环节都可能引入误差。
当凌凡终于将所有数据整理好,准备绘制a-f图像和a-1图像时,他发现,数据点并没有完美地落在一条直线上,而是分布在直线两侧,存在一定的scatter(分散)!
“看!
我就说没那么准吧!”
赵鹏指着那略微分散的数据点。
若是以前的凌凡,或许会感到沮丧,或者干脆认为实验失败了。
但此刻,他看着那些并不完美但真实无比的数据点,心中涌起的却是一种截然不同的感悟。
理论是理想的,而现实是充满误差的。
牛顿第二定律f=a是一个简洁完美的理论模型。
它忽略了空气阻力、忽略了滑轮的摩擦和质量、忽略了细绳的伸长、假设了打点计时器完全精准……而他们的实验,则是在尽可能逼近但无法完全达到这些理想条件下进行的。
那些分散的数据点,恰恰是各种现实因素(误差)存在的证明!
,!
他并没有试图去强行让曲线穿过所有点,而是根据数据点的分布趋势,画出了一条最优的拟合直线。
“看,”
他指着a-f图,“虽然点有分散,但整体趋势是一条过原点的直线,这说明a与f成正比。”
他又指向a-1图,“这也是一条直线,说明a与成反比。
这就在误差允许的范围内,验证了牛顿第二定律!”
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