改進的自由落體運動實驗
2007-12-31 00:00:00劉萬強
物理教學探討 2007年11期
探究“自由落體運動的性質”是高一物理第二章“自由落體運動”一節中的教學重點和難點，許多教師往往借助頻閃照相捕捉定位、打點計時器在紙帶上打點定位或光電門定位計時等實驗來研究，利用到“Δs=aT2”、“s—t圖像”或“s-t圖像”等位移方面的規律來定量探究。由于應用頻閃照相和打點計時器研究，計時精度不高，誤差較大。應用光電門研究，高一學生對“s-t圖像為拋物線”過渡到“s-t圖像為直線”的數學預備知識不足，數學處理難度較大，效果不太理想。筆者使用有光電門的自由落體實驗儀(天津科教儀器廠生產)，利用“v-t圖像”探究自由落體運動的性質，實驗效果很好。現介紹如下：
1 實驗器材及操作過程
筆者選擇了由光電門來計時的自由落體實驗儀(天津科教儀器廠生產)研究，如圖1所示。將實驗裝置安裝好，接通電源，利用重錘線調節裝置底座，使重錘線既要通過光電門發出的光線，也要通過支架上的中心軸線。把鋼球放在電磁吸球器的下面，鋼球被吸住。按下“放球”按鈕，電磁吸球器斷電，小球沿豎直方向做自由落體運動，通過固定在支架上的光電門。一般要在鋼球下落的過程中選擇4到6個位置進行測量研究，這樣就需要讓鋼球下落8到12次。
將計時器的選擇開關扳到“同步”，讓電磁吸球器斷電，同時鋼球開始下落計時器同步計時，到鋼球通過研究位置處的光電門計時結束，這樣得到運動時間t，從計時器的顯示屏上讀出數據，可以讀到1／1000s。瞬時速度通過平均速度來解決，我們知道當物體通過一段很小位移所需要的時間很短，這段時間的平均速度就近似等于瞬時速度。實驗中，把兩個光電門用橡皮筋捆綁在一起，測得兩個光孔的豎直距離l很小，只有22mm，把它們固定在豎直立柱的某一研究位置上，將計時器的選擇開關扳到“光控”，光電計時器數據清零，讓電磁吸球器斷電，鋼球下落，當鋼球下落通過第一個光電門計時器開始計時，到鋼球通過第二個光電門計時結束，在計時器的顯示屏上讀出通過兩個光電門的時間間隔Δt(通常只有幾ms～十幾ms)。應用公式v=l／Δt，可得某研究位置的瞬時速度v。多次改變光電門的位置，重復測量，就可以得到多組數據。
2 實驗數據及處理
通過實驗，可以獲取許多組數據。我在湖北十堰參加省級教學大賽時測量的數據，如表1。
數據表格（光電門1、2的距離l=22mm）
鋼球的運動時間tn和通過光電門1、2的時間Δtn是實驗過程中直接獲取的數據，瞬時速度v是通過公式v=l/Δt計算得到的。從數據可以看出，v隨t的增大而增大，且在誤差允許的范圍內v／t是一個定值，也就是說，自由落體運動是勻變速直線運動。
把實驗數據輸入至Flash制作的課件中，對v與t的關系進行圖像處理，如圖2所示。
從圖2中看到：v-t圖像是一條過原點的傾斜直線。從而得山結論：自由落體運動是初速為零的勻加速運動。
我們還利用數據粗略的計算了自由落體加速度，一是根據數據直接得到比值g=v／t，二是利用得到的v-t圖像處理，通過圖線的斜率計算得到g，如圖3所示。
3 實驗方案的優點
（1）自由落體運動的模型清晰，探究過程體現了科學研究的思想和方法，操作方便流暢，數學處理簡便，實驗數據誤差較小，教學效果很好。
（2）符合高一學生的學習實際，與物理和數學教學內容銜接較好。物理第一冊教材第二章的前面部分、介紹了瞬時速度及其速度圖像，該方案恰好是對這些知識的應用。如果探究勻變速直線運動的s-t圖像，高中物理課程標準沒有明確要求，學生的數學知識預備不足，有些勉強。
（3）符合中學物理課程標準對“v-t圖像”這一知識點的要求，課程標準，明確規定“v-t圖像”為B級知識點。得到v-t圖像后可以粗略計算自由落體加速度，結合多媒體課件教學直觀快捷準確。
(欄目編輯王柏廬)
