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一种自由落体运动的实验仪器

张方伟 罗贤明

江西省玉山县第一中学,江西上饶,334000

摘要: 自由落体运动是高中物理必修第一册教材中较为重要的一节内容,是教材衔接匀变速直线运动和重力、牛顿第二定律的纽带。自由落体运动的实验仪器为师生提供了自由落体这一运动的直观呈现,又需要同时能够测量出自由落体加速度这一物理量。因此,该自由落体运动实验仪器需要兼具在课堂中的现象直观体现、数据获取及重力加速度的测算等功能同时还要把握学科核心素养的要求[1]。
关键词: 物理实验;自由落体运动;实验仪器
DOI:10.12721/ccn.2023.157081
基金资助:本文系江西省基础教育研究课题“中学物理实验创新研究”(课题编号:SRWL2022-867)的阶段性研究成果。
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1仪器简介

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本装置一共用到以下器材:2m高的支架,高速旋转且能稳定运行的马达,红墨水,棉绳,白纸以及用来自由下落的实心直木棒(1m)、毫米刻度尺。

2实验原理

将实心直木棒包裹上白纸并令其无初速度自由释放,利用周期一定的马达为跟随木棒下落的白纸打点。结合测量好的马达旋转的转速与相邻点迹之间的距离即可测算自由落体加速度。

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3实验过程

将白纸贴在木棒上,并以细绳系在支架的顶端。将马达连好扇叶并将一小段棉绳系在扇叶的末端,将其固定在支架的中间位置,使棉绳的末端刚好可以轻微触碰木棒最底端。将红墨水放在扇叶末端的棉绳上,随后将马达的开关打开,再将木棒上端的细绳烧断,可以看到在马达高速稳定的转动打点之后,我们可以在木棒上的白纸上看到一系列的红色点迹。再测量点迹之间的距离,结合马达转动的周期,即可进一步测算自由落体加速度。

4实验数据处理

选取点迹清楚的作为计数点1,量取其到木棒悬挂底端起始点的距离,再进一步量出每相邻点迹间的距离。用Excel表格处理相关数据。

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实验中电动机经过多次测量平均转速为25 r/s(每打相邻点的时间间隔为0.04s),由实验结果数据可以直观看出每相邻时间间隔的位移差值约为恒定值0.016 m。可以证明该运动是匀变速直线运动。再让同学们根据推论ΔX =a2.png,即可以测算出本地的重力加速度约为g= 9.688 1.png

5小结

本项实验仪器改进和实验环境的创设充分契合了物理学科核心素养的培养要求,对自由落体运动概念的本质理解;对匀变速运动的推论相关问题处理,体现了学科思维;亲自动手开展实验,为学生主动提供了科学探究的机会;对于实验数据结果的处理,考察了同学们的实事求是的学科态度,对待实验数据的责任感[2]。在一线课堂教学采用本实验装置来进行自由落体运动的探究,课堂效果较好,主要体现为教具直观,生动形象为学生清楚地展示实验过程,实验现象明显,数据获取简单,且较为精确。在课堂环境足够学生认识把握重力加速度的性质特点。数据处理简洁明了,可以很清楚地向学生呈现,运用匀变速直线运动的规律判断自由落体运动的性质,以及自由落体加速度的计算[3]

参考文献

[1] 廖伯琴.《普通高中物理课程标准》(2017年版)要点解读[J].物理教学,2020,42(02):2-5.

[2] 林彦嘉,林鹏.用改进的落体法测量重力加速度[J].大学物理实验,2021,34(03):36-39.

[3] 姚俊.重力加速度测量实验的改进[J].物理教学,2008,30(12):55-57.

作者简介:张方伟(1995-),男,硕士研究生,江西省玉山县第一中学物理教师

罗贤明(1982-),男,大学本科,江西省玉山县第一中学物理高级教师