改進(jìn)的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

探究“自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)”是高一物理第二章“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，許多教師往往借助頻閃照相捕捉定位、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)定位或光電門(mén)定位計(jì)時(shí)等實(shí)驗(yàn)來(lái)研究，利用到“Δs=aT²”、“s—t圖像”或“s-t圖像”等位移方面的規(guī)律來(lái)定量探究。由于應(yīng)用頻閃照相和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究，計(jì)時(shí)精度不高，誤差較大。應(yīng)用光電門(mén)研究，高一學(xué)生對(duì)“s-t圖像為拋物線(xiàn)”過(guò)渡到“s-t圖像為直線(xiàn)”的數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)不足，數(shù)學(xué)處理難度較大，效果不太理想。筆者使用有光電門(mén)的自由落體實(shí)驗(yàn)儀(天津科教儀器廠(chǎng)生產(chǎn))，利用“v-t圖像”探究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)效果很好。現(xiàn)介紹如下：

1 實(shí)驗(yàn)器材及操作過(guò)程

筆者選擇了由光電門(mén)來(lái)計(jì)時(shí)的自由落體實(shí)驗(yàn)儀(天津科教儀器廠(chǎng)生產(chǎn))研究，如圖1所示。將實(shí)驗(yàn)裝置安裝好，接通電源，利用重錘線(xiàn)調(diào)節(jié)裝置底座，使重錘線(xiàn)既要通過(guò)光電門(mén)發(fā)出的光線(xiàn)，也要通過(guò)支架上的中心軸線(xiàn)。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(yùn)動(dòng)，通過(guò)固定在支架上的光電門(mén)。一般要在鋼球下落的過(guò)程中選擇4到6個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量研究，這樣就需要讓鋼球下落8到12次。

將計(jì)時(shí)器的選擇開(kāi)關(guān)扳到“同步”，讓電磁吸球器斷電，同時(shí)鋼球開(kāi)始下落計(jì)時(shí)器同步計(jì)時(shí)，到鋼球通過(guò)研究位置處的光電門(mén)計(jì)時(shí)結(jié)束，這樣得到運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，從計(jì)時(shí)器的顯示屏上讀出數(shù)據(jù)，可以讀到1／1000s。瞬時(shí)速度通過(guò)平均速度來(lái)解決，我們知道當(dāng)物體通過(guò)一段很小位移所需要的時(shí)間很短，這段時(shí)間的平均速度就近似等于瞬時(shí)速度。實(shí)驗(yàn)中，把兩個(gè)光電門(mén)用橡皮筋捆綁在一起，測(cè)得兩個(gè)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(jì)時(shí)器的選擇開(kāi)關(guān)扳到“光控”，光電計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)清零，讓電磁吸球器斷電，鋼球下落，當(dāng)鋼球下落通過(guò)第一個(gè)光電門(mén)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，到鋼球通過(guò)第二個(gè)光電門(mén)計(jì)時(shí)結(jié)束，在計(jì)時(shí)器的顯示屏上讀出通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間間隔Δt(通常只有幾ms～十幾ms)。應(yīng)用公式v=l／Δt，可得某研究位置的瞬時(shí)速度v。多次改變光電門(mén)的位置，重復(fù)測(cè)量，就可以得到多組數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以獲取許多組數(shù)據(jù)。我在湖北十堰參加省級(jí)教學(xué)大賽時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，如表1。

數(shù)據(jù)表格（光電門(mén)1、2的距離l=22mm）

鋼球的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t_n和通過(guò)光電門(mén)1、2的時(shí)間Δt_n是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直接獲取的數(shù)據(jù)，瞬時(shí)速度v是通過(guò)公式v=l/Δt計(jì)算得到的。從數(shù)據(jù)可以看出，v隨t的增大而增大，且在誤差允許的范圍內(nèi)v／t是一個(gè)定值，也就是說(shuō)，自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入至Flash制作的課件中，對(duì)v與t的關(guān)系進(jìn)行圖像處理，如圖2所示。

從圖2中看到：v-t圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線(xiàn)。從而得山結(jié)論：自由落體運(yùn)動(dòng)是初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。

我們還利用數(shù)據(jù)粗略的計(jì)算了自由落體加速度，一是根據(jù)數(shù)據(jù)直接得到比值g=v／t，二是利用得到的v-t圖像處理，通過(guò)圖線(xiàn)的斜率計(jì)算得到g，如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)

（1）自由落體運(yùn)動(dòng)的模型清晰，探究過(guò)程體現(xiàn)了科學(xué)研究的思想和方法，操作方便流暢，數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，教學(xué)效果很好。

（2）符合高一學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)際，與物理和數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容銜接較好。物理第一冊(cè)教材第二章的前面部分、介紹了瞬時(shí)速度及其速度圖像，該方案恰好是對(duì)這些知識(shí)的應(yīng)用。如果探究勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的s-t圖像，高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確要求，學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)預(yù)備不足，有些勉強(qiáng)。

（3）符合中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“v-t圖像”這一知識(shí)點(diǎn)的要求，課程標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定“v-t圖像”為B級(jí)知識(shí)點(diǎn)。得到v-t圖像后可以粗略計(jì)算自由落體加速度，結(jié)合多媒體課件教學(xué)直觀快捷準(zhǔn)確。

(欄目編輯王柏廬)