自由落体运动实验的改进

对自由落体运动实验的改进------利用“v---t图像”探究自由落体运动的性质探究“自由落体运动的性质”是高一物理第二章“自由落体运动”一节中的教学重点和难点，许多教师往往借助频闪照相捕捉定位、打点计时器在纸带上打点定位或光电门定位计时等实验来研究，利用到“Δs=aT2”、“s—t图像”或“s---t2图像”等位移方面的规律来定量探究。由于应用频闪照相和打点计时器研究，计时精度不高，误差较大。应用光电门研究，高一学生对“s—t图像为抛物线”过渡到“s---t2图像为直线”的数学预备知识不足，数学处理难度较大，效果不太理想。笔者使用有光电门的自由落体实验仪（天津科教仪器厂生产），利用“v---t图像”探究自由落体运动的性质，实验效果很好。现介绍如下：一、实验器材及操作过程笔者选择了由光电门来计时的自由落体实验仪（天津科教仪器厂生产）进行研究，如图1所示。将实验装置安装好，接通电源，利用重锤线调节装置底座，使重锤线既要通过光电门发出的光线，也要通过支架上的中心轴线。把钢球放在电磁吸球器的下面，钢球被吸住。按下“放球”按钮，电磁吸球器断电，小球沿竖直方向做自由落体运动，通过固定在支架上的光电门。一般要在钢球下落的过程中选择4到6个位置进行测量研究，这样就需要让钢球下落8到12次。将计时器的选择开关扳到“同步”，让电磁吸球器断电，同时钢球开始下落计时器同步计时，到钢球通过研究位置处的光电门计时结束，这样得到运动时间t，从计时器的显示屏上读出数据，可以读到1/1000s。瞬时速度通过平均速度来解决，我们知道当物体通过一段很小位移所需要的时间很短，这段时间的平均速度就近似等于瞬时速度。实验中，把两个光电门用橡皮筋捆绑在一起，测得两个光孔的竖直距离l很小，只有22mm，把它们固定在竖直立柱的某一研究位置上，将计时器的选择开关扳到“光控”，光电计时器数据清零，让电磁图1吸球器断电，钢球下落，当钢球下落通过第一个光电门计时器开始计时，到钢球通过第二个光电门计时结束，在计时器的显示屏上读出通过两个光电门的时间间隔Δt（通常只有几毫秒到十几毫秒）。应用公式v=l/Δt，可得某研究位置的瞬时速度v。多次改变光电门的位置，重复测量，就可以得到多组数据。二、实验数据及处理通过实验，可以获取许多组数据。这是我在湖北十堰参加省级教学大赛时测量的数据，如下表。数据表格（光电门1、2的距离l=22mm）实验中光电门的位置1234钢球的运动时间tn（s）0.1570.2630.3370.389通过光电门1、2的时间Δtn（ms）15976瞬时速度v=l/Δt（m·s-1）1.52.53.23.7比值v/t9.559.519.509.51钢球的运动时间tn和通过光电门1、2的时间Δtn是实验过程中直接获取的数据，瞬时速度v是通过公式v=l/Δt计算得到的。从数据可以看出，v随t的增大而增大，且在误差允许的范围内v/t是一个定值，也就是说，自由落体运动是匀变速直线运动。把实验数据输入至Flash制作的课件中，对v与t的关系进行图像处理，如图2。图2图3从图中看到：到v---t图像是一条过原点的倾斜直线。从而得出结论：自由落体运动是初速为零的匀加速运动。我们还利用数据粗略的计算了自由落体加速度，一是根据数据直接得到比值g=v/t，二是利用得到的v—t图像处理，利用图线的斜率计算得到g，如图3。三、实验方案的优点1.自由落体运动的模型清晰，探究过程体现了科学研究的思想和方法，操作方便流畅，数学处理简便，实验数据误差较小，教学效果很好。2.符合高一学生的学习实际，与物理和数学教学内容衔接平滑。物理第一册教材第二章的前面部分，介绍了瞬时速度及其速度图像，该方案恰好是对这些知识的应用。如果探究匀变速直线运动的s---t图像，高中物理课程标准没有明确要求，学生的数学知识预备不足，不宜提倡。3.符合中学物理课程标准对“v---t图像”这一知识点的要求，课程标准明确规定“v---t图像”为B级知识点。得到v---t图像后可以粗略计算自由落体加速度，结合多媒体课件教学直观快捷准确。