自由落體實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

冉曉紅

(深圳市紅嶺中學(xué)高中部 廣東 深圳 518049)

1 引言

現(xiàn)行高中物理粵教版教材“探究自由落體運(yùn)動”一節(jié)中，實(shí)驗(yàn)與探究是本節(jié)課的重點(diǎn)，是集演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)在一起.實(shí)驗(yàn)成功與否是本節(jié)課的關(guān)鍵所在，并直接影響學(xué)生知識的掌握.本實(shí)驗(yàn)所需器材雖然簡單，但操作過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡如人意.分析原因，發(fā)現(xiàn)主要有以下幾點(diǎn)：

(1)鐵架臺上的鐵夾與打點(diǎn)計時器的連接很難固定，實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)松動，從而影響實(shí)驗(yàn)的精確性；

(2)教材中是用手拿著紙帶，在實(shí)驗(yàn)中很難控制手的穩(wěn)定性，而且先打開打點(diǎn)計時器的電源，然后才放紙帶，使得紙帶上的起始點(diǎn)很難確定，從而影響到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析；

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

經(jīng)過研究和多次實(shí)踐，筆者總結(jié)出一種操作性強(qiáng)，效果好的實(shí)驗(yàn)方法.現(xiàn)介紹如下.

2 實(shí)驗(yàn)器材和裝置

電火花打點(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1

3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖1的實(shí)驗(yàn)裝置固定好鐵夾和電火花打點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diào)節(jié)打點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)計時器就在紙帶上打下一列小點(diǎn).關(guān)閉電源，取下紙帶.

(4)更換紙帶，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn).

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

(6)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.計數(shù)點(diǎn)間的時間間隔為0.04 s.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)處理

(1)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)上作出相應(yīng)的位移-時間圖像、位移-時間平方圖像.

(2) 教師也可根據(jù)學(xué)生的數(shù)據(jù)在Excel中作出兩圖像,如圖2和圖3所示.

圖2

圖3

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

(4)在Excel還可以根據(jù)上圖3中的圖像中，點(diǎn)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(jìn)一步得到了位移與時間平方的關(guān)系式s=4.853 5t2+0.000 2.在實(shí)驗(yàn)的誤差范圍之內(nèi)可以認(rèn)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(xué)生根據(jù)圖像可知，自由落體運(yùn)動是一種初速度為零的勻加速直線運(yùn)動.

圖4

5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)仍沿用教材中的實(shí)驗(yàn)器材，只是多了一個鐵夾子和小重錘，并利用了桌子的穩(wěn)定性，從而提高整個實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性.

(2)經(jīng)過改裝后，紙帶上的起始點(diǎn)很清晰，只做一次就能得到一條第1，2點(diǎn)間的距離近2 mm的理想紙帶，節(jié)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(yùn)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(shí)驗(yàn)裝置完全可用于后面的動能定理和機(jī)械能守恒等實(shí)驗(yàn)探究.

6 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)注意調(diào)節(jié)穿過打點(diǎn)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(zhǔn)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(yùn)動，所以用手扶著鐵夾輕輕地并及時放紙帶.