自由落體實驗的改進

冉曉紅

(深圳市紅嶺中學高中部 廣東 深圳 518049)

1 引言

現行高中物理粵教版教材“探究自由落體運動”一節中，實驗與探究是本節課的重點，是集演示和學生分組實驗在一起.實驗成功與否是本節課的關鍵所在，并直接影響學生知識的掌握.本實驗所需器材雖然簡單，但操作過程和實驗結果不盡如人意.分析原因，發現主要有以下幾點：

(1)鐵架臺上的鐵夾與打點計時器的連接很難固定，實驗過程中容易出現松動，從而影響實驗的精確性；

(2)教材中是用手拿著紙帶，在實驗中很難控制手的穩定性，而且先打開打點計時器的電源，然后才放紙帶，使得紙帶上的起始點很難確定，從而影響到實驗數據的分析；

(3)手在放紙帶時，由于不穩定，很難保證手、經過打點計器的紙帶、重錘在一條直線上，從而使得紙帶與打點計時器之間有摩擦力，所以實驗效果不夠穩定和理想.

經過研究和多次實踐，筆者總結出一種操作性強，效果好的實驗方法.現介紹如下.

2 實驗器材和裝置

電火花打點計時器，紙帶，重錘，鐵架臺，兩鐵夾(夾紙帶的夾子要用按壓式的)，小木棒(或牙簽)，帶線的小重錘，毫米刻度尺.實驗裝置如圖1所示.

圖1

3 實驗步驟

(1)按圖1的實驗裝置固定好鐵夾和電火花打點計時器.把帶線的小重錘纏繞在小木棒上.讓重錘自由懸掛在鐵夾上，并連接好打點計時器的電源.

(2)把雙紙帶的一端固定在重錘上，另一端穿過打點計時器的線位孔，并向上提紙帶到一定位置，用夾子夾住.然后調節打點計時器和夾子的位置,使得紙帶和重錘在同一豎直平面上.具體方法是：把帶有小重錘的小木棒移到紙帶邊，觀察紙帶與小重錘線是否平行，平行后，把小重錘移到一邊，目的是為了不影響重錘的運動.

(3)接通電源，迅速按鐵夾放紙帶，讓重錘帶著紙帶自由下落，打點計時器就在紙帶上打下一列小點.關閉電源，取下紙帶.

(4)更換紙帶，重復上述實驗.

(5)從幾條紙帶中，選出第1，2點間的距離近2 mm，并且點跡清晰的的紙帶進行測量.

(6)記錄的實驗數據如表1.計數點間的時間間隔為0.04 s.

表1 實驗數據

4 數據處理

(1)學生利用實驗數據，在坐標上作出相應的位移-時間圖像、位移-時間平方圖像.

(2) 教師也可根據學生的數據在Excel中作出兩圖像,如圖2和圖3所示.

圖2

圖3

(3)由學生從圖像中推得自由落體運動的位移與時間的關系、位移與時間平方的關系.

(4)在Excel還可以根據上圖3中的圖像中，點擊圖線s-t2，添加趨勢線即線性擬合，得到s-t2線性圖像，如圖4所示.進一步得到了位移與時間平方的關系式s=4.853 5t2+0.000 2.在實驗的誤差范圍之內可以認為s=4.853 5t2,并能測出重力加速度的值g=4.853 5×2 m/s2=9.707 m/s2

(5)學生根據圖像可知，自由落體運動是一種初速度為零的勻加速直線運動.

圖4

5 實驗優點

(1)實驗仍沿用教材中的實驗器材，只是多了一個鐵夾子和小重錘，并利用了桌子的穩定性，從而提高整個實驗的穩定性.

(2)經過改裝后，紙帶上的起始點很清晰，只做一次就能得到一條第1，2點間的距離近2 mm的理想紙帶，節省了許多時間，從而提高了課堂效率.

(3)如果其他教材不是用來探究自由落體運動,而是用來測重力加速度的值,用Δs=at2來求重力加速度的值,精確度更高.

(4)本實驗裝置完全可用于后面的動能定理和機械能守恒等實驗探究.

6 實驗注意事項

(1)注意調節穿過打點計時器線位孔的紙帶與重錘是否在豎直平面上,靠眼睛來判斷是否在同一平面上是不準確的.所以筆者用了一個小重錘來確定一個豎直面，然后讓紙帶與靠近的小重錘的豎直面是否在同一豎直面來判斷.

(2)在放紙帶時，盡量做到不影響帶有紙帶的重錘的運動，所以用手扶著鐵夾輕輕地并及時放紙帶.