“伽利略研究自由落體”實驗方案創(chuàng)新設(shè)計

黃衛(wèi)良

（樂余高級中學(xué)，江蘇張家港215621）

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“伽利略研究自由落體”實驗方案創(chuàng)新設(shè)計

黃衛(wèi)良

（樂余高級中學(xué)，江蘇張家港215621）

摘 要：伽利略自由落體實驗在課堂演示難度大且繁瑣，為此對該實驗進行了改進，采用廉價微型工業(yè)傳感觸發(fā)模塊，配合改裝的電子秒表，實現(xiàn)了小球在斜面上下滑過程的自動觸發(fā)開表計時，以及指定位移自動分段計時，能在15min時間內(nèi)完整重現(xiàn)伽利略的研究過程，并體驗其研究思想.

關(guān)鍵詞：自由落體；加速度；觸發(fā)模塊；電子秒表

伽利略研究自由落體運動實驗在2002年被全美物理學(xué)家提名入選為“最美麗的十大經(jīng)典物理實驗”，它在文獻［1］中單列一節(jié)，并被描述為“不僅確立了許多描述運動的基本概念，而且創(chuàng)造了一套對近代科學(xué)的發(fā)展極為有益的科學(xué)方法……把實驗和邏輯推理和諧地結(jié)合起來，從而發(fā)展了人類的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法……近代科學(xué)的大門從此打開了”.

教材中沒有把伽利略自由落體實驗設(shè)定為演示實驗或探究實驗，對應(yīng)教參也沒有提供參考實驗方案.由于實驗過程比較繁瑣，實驗難度比較大，以至于很少有物理教師愿意在課堂上重現(xiàn)該研究過程.

“伽利略研究自由落體運動”的研究過程如圖1所示.不能讓學(xué)生深刻領(lǐng)略大師的風(fēng)采，實在是高中物理教學(xué)的缺憾！

圖1 伽利略自由落體實驗研究過程示意圖

1 實驗過程難度較大的原因

1.1 準確記錄與位移相關(guān)的時間難度較大

雖然利用斜面沖淡了重力的影響，但是由于在教室演示，軌道長度有限，小球下滑得較快，例如用傾斜角為30°，長度為1m的斜面，實際小球下滑的總時間少于0.6s，圖中經(jīng)過幾個設(shè)定位移的時間就更短了.這么短的時間，用手動秒表記錄時間的誤差較大，因為人的反應(yīng)時間往往會超過0.1s.

1.2 在小球釋放的瞬間進行同步計時難度較大

在長度約1m的斜面上下滑的總時間少于0.6s，因此要求確保小球釋放瞬間實現(xiàn)同步計時，誤差不能超過總時間的10%，即0.06s，否則就難于驗證小球下滑是勻加速運動.要滿足這一要求，同樣難度較大.

1.3 實驗過程繁瑣，以至于用DIS傳感器記錄數(shù)據(jù)也非常耗時

由于本實驗需要在斜面上釋放小球，因此需要定制專門的小球軌道，而且傾角還要能夠調(diào)節(jié).在傾斜的小球軌道上布置DIS傳感器相對比較困難.

實驗要得到小球在斜面上的時間和位移的關(guān)系，就需要測量多組數(shù)據(jù)，即需要小球多次重復(fù)下滑記錄經(jīng)過不同位置的數(shù)據(jù).另外還需要逐漸增大傾角，驗證不同傾角的小球下滑也是勻加速運動，才能有說服力地合理外推.這就需要測量幾十組時間和位移的關(guān)系數(shù)據(jù).

2 實驗方案

基于以上分析，要在課堂上有限的時間內(nèi)完成該實驗，需要針對以上難點設(shè)計實驗方案.筆者設(shè)計思路如下：

1）自制傾角可調(diào)小球下滑軌道，整合所有檢測裝置，無需安裝，即拿即用.

2）利用磁場觸發(fā)傳感模塊，檢測電磁鐵釋放動作，實現(xiàn)自動開表計時.

3）利用光電觸發(fā)傳感模塊，檢測小球是否通過指定位置，實現(xiàn)自動分段計時.

4）對電子秒表進行改裝，引出開表控制線和分段計時控制線，配合控制模塊，實現(xiàn)自動開表和分段計時.

5）1個傾角只要小球下滑1次就能獲得多組數(shù)據(jù)，用時小于2min.完成全部實驗過程不會超過15min.

設(shè)計方案原理框圖如圖2所示.

圖2 方案設(shè)計原理框圖

3 實驗裝置設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)及實驗原理

整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.用普通窗簾塑料軌道作為小球的傾斜軌道，把軌道安裝在可以調(diào)節(jié)傾角的底座上，用卡銷插入小孔的方式，可以方便地調(diào)節(jié)傾角為30°，50°，70°，90°.

圖3 整體裝置結(jié)構(gòu)示意

對秒表進行改裝，在秒表電路板上找出和“開表”、“分段計時”相關(guān)的焊點，焊接引線，連接到控制模塊.

電磁鐵斷電瞬間失去磁性，小球開始下滑的同時，磁場觸發(fā)傳感模塊把信號傳送給控制模塊，控制秒表自動開表開始計時.

小球經(jīng)過特定的幾個位置（位移分別為1倍、2倍、3倍、4倍），各個位置的光電觸發(fā)傳感模塊把觸發(fā)信號傳送給控制模塊，控制秒表自動開始分段計時.小球只要下滑1次就能得4組位移與時間的數(shù)據(jù).

3.2 “小球釋放同步計時”設(shè)計

圖4所示是廉價的微型工業(yè)磁場觸發(fā)模塊.如果左端的干簧管檢測到磁場，模塊的輸出腳就輸出低電位信號；如果檢測不到磁場，就輸出高電位信號.

圖4 磁場觸發(fā)模塊

圖5中把磁場觸發(fā)模塊安裝在電磁鐵附近，當(dāng)小球被電磁鐵吸附靜止時，電磁鐵的磁場會觸發(fā)模塊，此時模塊輸出腳是低電位.當(dāng)電磁鐵斷電釋放小球瞬間，電磁鐵的磁場瞬間消失，模塊檢測不到磁場，就輸出高電位，該高電位信號傳送到控制模塊，用于控制秒表自動計時.

圖5 同步開表裝置

3.3 “設(shè)定位移自動分段計時”設(shè)計

圖6所示是廉價的微型工業(yè)光電模塊，是帶處理電路的小型光電門.當(dāng)發(fā)射端和接收端間有物體通過時，紅外線被擋住，其輸出腳為高電位信號；沒有物體通過，就輸出低電位信號.

圖6 光電模塊

用電烙鐵把模塊上的發(fā)射端和接收端拆下，并把它們固定在軌道指定位置的兩端，再通過引線把發(fā)射端和接收端重新和模塊相連，如圖7所示.當(dāng)小球下滑通過該位置時，就會被模塊檢測到，從而輸出高電位信號.該信號傳送給控制模塊，用于控制秒表自動分段計時.

在軌道距離釋放點20，40，60，80cm處，分別安裝4個光電觸發(fā)模塊.小球只要下滑1次，就能自動進行4次分段計時，從而得到4組時間與位移的數(shù)據(jù).

圖7 把發(fā)射端、接收端、模塊安裝在軌道上

3.4 秒表控制功能設(shè)計

圖8中的控制模塊就是微型化的小型固態(tài)繼電器控制模塊.在其輸入端輸入高電位或低電位信號，就能控制繼電器輸出端觸點斷開或閉合.

拆開秒表外殼，取下電路板，就能發(fā)現(xiàn)和“開表鍵”、“分段計時鍵”所在位置對應(yīng)的2組金屬觸點，如圖8所示.

在這2組金屬觸點上，分別焊接2根細軟的導(dǎo)線，引出到秒表外，再把秒表的外殼裝好.

從開表觸點引出的2根軟導(dǎo)線，與控制模塊1的繼電器輸出端相連.當(dāng)控制模塊接收到磁場觸發(fā)模塊的信號后，就能讓“常開端”和“公共端”閉合，相當(dāng)于按下了“開表鍵”，于是秒表計時.

圖8 秒表控制功能設(shè)計

從分段計時觸點引出的2根軟導(dǎo)線，和控制模塊2的繼電器輸出端相連.當(dāng)控制模塊接收到光電觸發(fā)模塊的信號后，就能讓“常開端”和“公共端”閉合，相當(dāng)于按下了“分段計時鍵”，于是秒表就開始分段計時了.

4 實驗過程

接通電磁鐵12V電源，接通2個觸發(fā)模塊和2個控制模塊的5V電源，開啟秒表處于待機狀態(tài)，將1個直徑為2cm的小球吸附在電磁鐵上.

調(diào)節(jié)軌道傾角為30°，斷開繼電器的12V電源，在小球快速下滑過程中，秒表自動開表和分段計時.不到1s，就得到了4組時間和位移的數(shù)據(jù).按秒表查詢鍵，依次顯示小球經(jīng)過4個光電觸發(fā)模塊對應(yīng)的時間.調(diào)節(jié)傾角為50°和70°，重復(fù)以上過程即可.

表1為實測的1組數(shù)據(jù)（傾角為30°）.數(shù)據(jù)比較理想，能清楚得出小球下滑過程中位移與時間的二次方成正比，誤差小于10%.筆者分析誤差主要來源是：小球是滾動下滑產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動動能，及控制模塊的小型繼電器有反應(yīng)時間，該兩項不能忽略.

表1 實驗數(shù)據(jù)

參考文獻：

［1］ 人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理1（必修）［M］.北京：人民教育出版社，2010：46－49.

［2］ 曾祥新，于海波.應(yīng)用雙幀數(shù)視頻分析法探究“自由落體運動”的加速度［J］.物理實驗，2015，35（9）：26－28，41.

［3］ 李燕秋，代偉，羅微，等.平拋運動演示儀的改進［J］.物理實驗，2015，35（5）：19－22.

［4］ 楊國仁，王桂忠，欒曉寧.自由落體實驗儀的改進［J］.物理實驗，2010，30（6）：34－36.

［5］ 張步元.用光電門測自由落體加速度實驗的改進［J］.物理實驗，2010，30（12）：14－17.

［6］ 聶應(yīng)才，鄧睿平.改進的自由落體運動實驗［J］.物理實驗，2006，26（9）：24－25.

An creative design of the experiment of free falling body

HUANG Wei－liang
（Leyu Middle School，Zhangjiagang 215621，China）

Abstract：The traditional experiment of free falling body is difficult and complicated to demonstrate.So the experiment was improved by using low－cost mini－type trigger module and modified electronic stopwatch.When the ball was sliding on oblique plane，the stopwatch was automatically triggered.The whole experiment process could be accomplished within 15min.

Key words：free falling body；acceleration；trigger module；electronic stopwatch

作者簡介：黃衛(wèi)良（1972－），男，江蘇張家港人，樂余高級中學(xué)高級教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

收稿日期：2015－09－29；修改日期：2015－12－01

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005－4642（2016）03－0042－04

［責(zé)任編輯：尹冬梅］