自由落体实验的改进

冉晓红

(深圳市红岭中学高中部 广东 深圳 518049)

1 引言

现行高中物理粤教版教材“探究自由落体运动”一节中，实验与探究是本节课的重点，是集演示和学生分组实验在一起.实验成功与否是本节课的关键所在，并直接影响学生知识的掌握.本实验所需器材虽然简单，但操作过程和实验结果不尽如人意.分析原因，发现主要有以下几点：

(1)铁架台上的铁夹与打点计时器的连接很难固定，实验过程中容易出现松动，从而影响实验的精确性；

(2)教材中是用手拿着纸带，在实验中很难控制手的稳定性，而且先打开打点计时器的电源，然后才放纸带，使得纸带上的起始点很难确定，从而影响到实验数据的分析；

(3)手在放纸带时，由于不稳定，很难保证手、经过打点计器的纸带、重锤在一条直线上，从而使得纸带与打点计时器之间有摩擦力，所以实验效果不够稳定和理想.

经过研究和多次实践，笔者总结出一种操作性强，效果好的实验方法.现介绍如下.

2 实验器材和装置

电火花打点计时器，纸带，重锤，铁架台，两铁夹(夹纸带的夹子要用按压式的)，小木棒(或牙签)，带线的小重锤，毫米刻度尺.实验装置如图1所示.

图1

3 实验步骤

(1)按图1的实验装置固定好铁夹和电火花打点计时器.把带线的小重锤缠绕在小木棒上.让重锤自由悬挂在铁夹上，并连接好打点计时器的电源.

(2)把双纸带的一端固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的线位孔，并向上提纸带到一定位置，用夹子夹住.然后调节打点计时器和夹子的位置,使得纸带和重锤在同一竖直平面上.具体方法是：把带有小重锤的小木棒移到纸带边，观察纸带与小重锤线是否平行，平行后，把小重锤移到一边，目的是为了不影响重锤的运动.

(3)接通电源，迅速按铁夹放纸带，让重锤带着纸带自由下落，打点计时器就在纸带上打下一列小点.关闭电源，取下纸带.

(4)更换纸带，重复上述实验.

(5)从几条纸带中，选出第1，2点间的距离近2 mm，并且点迹清晰的的纸带进行测量.

(6)记录的实验数据如表1.计数点间的时间间隔为0.04 s.

表1 实验数据

4 数据处理

(1)学生利用实验数据，在坐标上作出相应的位移-时间图像、位移-时间平方图像.

(2) 教师也可根据学生的数据在Excel中作出两图像,如图2和图3所示.

图2

图3

(3)由学生从图像中推得自由落体运动的位移与时间的关系、位移与时间平方的关系.

(4)在Excel还可以根据上图3中的图像中，点击图线s-t2，添加趋势线即线性拟合，得到s-t2线性图像，如图4所示.进一步得到了位移与时间平方的关系式s=4.853 5t2+0.000 2.在实验的误差范围之内可以认为s=4.853 5t2,并能测出重力加速度的值g=4.853 5×2 m/s2=9.707 m/s2

(5)学生根据图像可知，自由落体运动是一种初速度为零的匀加速直线运动.

图4

5 实验优点

(1)实验仍沿用教材中的实验器材，只是多了一个铁夹子和小重锤，并利用了桌子的稳定性，从而提高整个实验的稳定性.

(2)经过改装后，纸带上的起始点很清晰，只做一次就能得到一条第1，2点间的距离近2 mm的理想纸带，节省了许多时间，从而提高了课堂效率.

(3)如果其他教材不是用来探究自由落体运动,而是用来测重力加速度的值,用Δs=at2来求重力加速度的值,精确度更高.

(4)本实验装置完全可用于后面的动能定理和机械能守恒等实验探究.

6 实验注意事项

(1)注意调节穿过打点计时器线位孔的纸带与重锤是否在竖直平面上,靠眼睛来判断是否在同一平面上是不准确的.所以笔者用了一个小重锤来确定一个竖直面，然后让纸带与靠近的小重锤的竖直面是否在同一竖直面来判断.

(2)在放纸带时，尽量做到不影响带有纸带的重锤的运动，所以用手扶着铁夹轻轻地并及时放纸带.