自由落體實(shí)驗(yàn)研究

張瑞芬 許樹勛

摘要：本文利用自由落體儀、雙光電門、毫秒計(jì)時(shí)器來獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取代了中學(xué)階段用打點(diǎn)法的測量。通過定量研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，從而歸納出用自由落體儀測重力加速度時(shí)光電門G1、G2放在何位置時(shí)，測量結(jié)果準(zhǔn)確，填補(bǔ)了自由落體儀測量重力加速度確定G1、G2的位置的空白。

關(guān)鍵詞：自由落體；重力加速度；光電門

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2018）06-0127

一、引言

物理實(shí)驗(yàn)，尤其是普通物理實(shí)驗(yàn)的目的是為了增加學(xué)生的感性認(rèn)識，從而加強(qiáng)學(xué)生對物理規(guī)律的進(jìn)一步理解，并能將物理知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際中。對于理論課而言，實(shí)驗(yàn)課是學(xué)生更感興趣的課程，學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

本文在做自由落體重力加速度實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的是用電磁鐵吸合鋼球，斷電時(shí)鋼球釋放做自由落體運(yùn)動(dòng)。鋼球下落時(shí)經(jīng)過兩個(gè)光電門，通過毫秒計(jì)時(shí)器記錄其時(shí)間，并測出兩光電門間的距離，根據(jù)測量的時(shí)間和距離來計(jì)算自由落體重力加速度，并確定了光電門G1、G2放在何位置時(shí)，測量結(jié)果準(zhǔn)確。

二、儀器的結(jié)構(gòu)

儀器的主體是鋁合金型材，主體正面鑲嵌標(biāo)尺，用于測量高度h。主體上端裝有電磁鐵的吸球器，它的支架下端沿作為鋼球下落的起始位置指針，支架上還裝有兩個(gè)接線柱，用來與頻閃光源的同步輸出開關(guān)和實(shí)驗(yàn)電源DC6V相連接。

三、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)儀器按圖1所示，各部件組裝到位，并將實(shí)驗(yàn)儀器的四芯插頭插入J0201-CHJ型數(shù)字計(jì)時(shí)器后蓋標(biāo)注自由落體的插座上，接通計(jì)時(shí)器電源，計(jì)時(shí)器自動(dòng)進(jìn)入自檢程序，說明兩個(gè)光電門安裝與功能均正常。將電磁鐵吸球器支架下端沿置于標(biāo)尺的0cm處，用重錘線調(diào)節(jié)好儀器的垂直度。

從上述的實(shí)驗(yàn)中可以得出：當(dāng)兩個(gè)光電門分別從（10.00cm，100.00cm）到（69.00cm，100.00cm）過程中，求得的重力加速度的平均值為9.902 m/s2；當(dāng)兩個(gè)光電門分別從（10.00cm，120.00cm）到（69.00cm，120.00cm）過程中，求得的重力加速度的平均值為9.867 m/s2；當(dāng)兩個(gè)光電門分別從（10.00cm，140.00cm）到（69.00cm，140.00cm）過程中，求得的重力加速度的平均值為9.804m/s2。所以在兩個(gè)光電門分別從（10.00cm，140.00cm）到（69.00cm，140.00cm）的位置時(shí)測得的重力加速度更為接近準(zhǔn)確值，并且當(dāng)G1在10.00cm和G2在53.00cm處時(shí)，所測的重力加速度的平均值為9.801m/s2。

五、總結(jié)

綜上所述，如果在普通物理實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，不僅能使學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)的基本技能，提高實(shí)驗(yàn)精度和實(shí)驗(yàn)的直觀性，極大地提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣，更重要的是使學(xué)生親身體會到：雖然儀器不變，但由于方法不同可以他提高實(shí)驗(yàn)數(shù)值的精確度。通過對實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)，以及使用毫秒計(jì)時(shí)器測重力加速度，測量精度大大提高，特別在做初速度為零時(shí)的實(shí)驗(yàn)，誤差降到0.26%，與原來相比實(shí)驗(yàn)效果相當(dāng)滿意。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳毓芳，鄒延肅.物理學(xué)史簡明教程[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1986.

[2] 趙凱華，羅蔚茵.力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3] 沈克琦.物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京市高級中學(xué)出版社，2001.

（作者單位：①山西省忻州市岢嵐第四中學(xué)校 036300；②山西省忻州市岢嵐縣第一中學(xué)校 036300）