用氣軌法和打點計時器法測量重力加速度

陳佳

自由落體運動是一種理想化的運動模型，是指物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。這種運動只有在沒有空氣阻力的空間里才能發(fā)生。注意自由落體運動的兩個基本特征：①初速度為零；②只受重力；我們常見的物體的自由下落的運動不是嚴格意義上的自由落體運動，因為物體都受到空氣阻力的影響。只有在物體所受的空氣阻力與物體的重力相比很小，可以忽略不計時，物體的下落才可近似地看作自由落體運動。整體分析：當把兩個物體捆在一起時，mC=mA+mB因為新組成的物體比上述兩個物體中的任一個都重從而下落的應(yīng)最快。局部分析：A物體下落的快，受到一個下落得慢的物體B的作用，結(jié)果就像一個大人拉著小孩向前跑，比單獨大人跑要慢，比小孩單獨跑要快一樣，他們的共同速度應(yīng)介于A、B兩物體之間即VA>VC>VB。

1.用氣軌法測量重力加速度

先將氣軌調(diào)成水平狀態(tài)，然后在氣軌的單腳底座下墊以一定厚度的墊塊，使氣軌形成斜面，滑行器從導(dǎo)軌的頂端自靜止滑下，測出滑行器的加速度。沿此斜面的加速度起因于重力加速度g的一個分量，如果軌面傾斜角為θ，則這個分量為a=gsinθ或g=a/sinθ。當角度很小時，由于θ≈sinθ，使此式進一步簡化。因此，如果角度θ以弧度為單位，則對小角度有g(shù)=a。伽利略三百多年前用來測定重力加速度的方法。測定加速度a，可以用在氣軌上光電門配合數(shù)字毫秒計的方法，角度θ=h/l。這里是h墊塊的厚度，l是氣軌底腳間的垂直距離，h必須經(jīng)過準確測量，保證足夠的精度，h的微小偏差，將引起結(jié)果的明顯誤差。

1.1實驗步驟

（1）粗調(diào)：調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下的三只底腳螺絲，使導(dǎo)軌大致水平。

（2）靜態(tài)調(diào)平：將滑塊放在導(dǎo)軌上，接通氣源，這時滑塊在導(dǎo)軌上自由運動，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的單腳底腳螺絲，使滑塊基本靜止。

（3）動態(tài)調(diào)平：將兩個光電門架在導(dǎo)軌上，相距60cm左右。在滑塊上安放開槽遮光片，接通數(shù)字毫秒計電源，將光控方式選擇開關(guān)置于“S2”檔，復(fù)位選擇開關(guān)置于“自動”檔。輕輕推動滑塊，分別讀出遮光片通過兩個光電門的時間Δt1和Δt2，它們不等，則反復(fù)調(diào)節(jié)單腳螺絲，使它們相差不超過千分之幾秒，此時可認為氣墊導(dǎo)軌基本水平?；衅鲝膶?dǎo)軌的頂端自靜止滑下。

（4）分別記下遮光片經(jīng)過兩光電門的時間Δt1和Δt2，計算V1、V2和a。

（5）用米尺測量單腳底腳螺絲到另外兩個底腳螺絲連線間的距離，用螺旋測微器測量墊塊的厚度h，并由實驗室給出本地區(qū)重力加速度的公認值。

1.2實驗材料與裝置

材料：氣墊導(dǎo)軌，滑塊，墊塊，遮光片，光電門，數(shù)字毫秒計，氣源，螺旋測微器，游標卡尺，米尺。

2.用打點計時器法測量重力加速度

電磁打點計時器：它是利用電磁感應(yīng)原理打點計時的一種儀器，當通過4—6V低壓交流電時，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便上下振動起來，位于振片一端的振針就跟著上下振動而打點，這時，如果紙帶運動，振針就在紙帶上打出一系列點，當交流電源頻率為50Hz時，它每隔0.02s打一點，即打出的紙帶上每相鄰兩點間的時間間隔為0.02s。打點計時由于在此前學生已經(jīng)具備了用打點計時法研究勻變速直線運動，測加速度的基礎(chǔ)，加之實驗器材的誘導(dǎo)，選擇該方法的學生人數(shù)最多。通過測出相鄰的等時間內(nèi)的位移Sn、Sn+1……由g=（Sn+1-Sn）/T2（T=0.02s）求得加速度約為9.8m/s2）。

2.1實驗步驟

（1）把打點計時器固定在桌子上，對照老師準備的說明卡了解他的結(jié)構(gòu)。

（2）按照說明把紙帶裝好。

（3）啟動電源，用手水平地拉紙帶，紙帶上就打出一行小點。隨后立即關(guān)閉電源。

（4）取下紙帶，從能夠看清的某個點開始，往后數(shù)出若干個點。如果數(shù)出n個點，這些點劃分出來的間隔數(shù)是多少？由此計算出紙帶從第一個點到地n個點的運動時間。

2.2實驗材料與裝置

材料：電磁打點計時器（或電火花計時器）及紙帶、刻度尺、電源、導(dǎo)線等。

2.4注意事項

（1）電火花計時器工作時，紙帶運動時受到的阻力小，比電磁打點計時器實驗誤差小。

（2）打在紙帶上的點，記錄了紙帶運動的時間，如果把紙帶跟物體連在一起，紙帶上的點就相應(yīng)地表示出運動物體在不同時刻的位置。

（3）電源電壓要符合要求，電磁打點計時器應(yīng)使用10V以下的交流電源；電火花計時器要使用220V交流電源。

（4）實驗前要檢查打點的穩(wěn)定性和清晰程度，必要時要進行調(diào)節(jié)或更換器材。

（5）使用打點計時器應(yīng)先接通電源，待打點計時器穩(wěn)定后再用手拉紙帶。

（6）手拉紙帶時，速度應(yīng)快一些，以防點跡太密集。

由2個實驗的多次測量結(jié)果顯示，重力加速度的值在9.8m/s2左右，因此國際上將在緯度45°的海平面精確測得物體的重力加速度g=9.80665m/s2作為重力加速度的標準值。

【參考文獻】

[1]陳宏.測量重力加速度實驗方案的設(shè)計[J].教學儀器與實驗，2003年02期；23.

[2]張鳳紀.用三位置法測定重力加速度[J].甘肅教育，1994年03期；39.

[3]王勤國.王志剛.測量重力加速度的八種方法[J].高中生，2005年02期；59.

[4]匡磊.例說重力加速度的七種測定方法[J].中學物理教學參考，2002年04期；48-49.

[5]唐頌兵.我和我的學生所經(jīng)歷的高三物理課冒險[J].中國電化教育，2004年10期；49-51.

[6]劉鳳鰲.關(guān)于普通物理實驗的設(shè)計──重力加速度的多種測定方法[J].紹興文理學院學報，1995年06期；90-92.

（作者單位：浙江省玉環(huán)縣雞山鄉(xiāng)學校）endprint

自由落體運動是一種理想化的運動模型，是指物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。這種運動只有在沒有空氣阻力的空間里才能發(fā)生。注意自由落體運動的兩個基本特征：①初速度為零；②只受重力；我們常見的物體的自由下落的運動不是嚴格意義上的自由落體運動，因為物體都受到空氣阻力的影響。只有在物體所受的空氣阻力與物體的重力相比很小，可以忽略不計時，物體的下落才可近似地看作自由落體運動。整體分析：當把兩個物體捆在一起時，mC=mA+mB因為新組成的物體比上述兩個物體中的任一個都重從而下落的應(yīng)最快。局部分析：A物體下落的快，受到一個下落得慢的物體B的作用，結(jié)果就像一個大人拉著小孩向前跑，比單獨大人跑要慢，比小孩單獨跑要快一樣，他們的共同速度應(yīng)介于A、B兩物體之間即VA>VC>VB。

1.用氣軌法測量重力加速度

先將氣軌調(diào)成水平狀態(tài)，然后在氣軌的單腳底座下墊以一定厚度的墊塊，使氣軌形成斜面，滑行器從導(dǎo)軌的頂端自靜止滑下，測出滑行器的加速度。沿此斜面的加速度起因于重力加速度g的一個分量，如果軌面傾斜角為θ，則這個分量為a=gsinθ或g=a/sinθ。當角度很小時，由于θ≈sinθ，使此式進一步簡化。因此，如果角度θ以弧度為單位，則對小角度有g(shù)=a。伽利略三百多年前用來測定重力加速度的方法。測定加速度a，可以用在氣軌上光電門配合數(shù)字毫秒計的方法，角度θ=h/l。這里是h墊塊的厚度，l是氣軌底腳間的垂直距離，h必須經(jīng)過準確測量，保證足夠的精度，h的微小偏差，將引起結(jié)果的明顯誤差。

1.1實驗步驟

（1）粗調(diào)：調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下的三只底腳螺絲，使導(dǎo)軌大致水平。

（2）靜態(tài)調(diào)平：將滑塊放在導(dǎo)軌上，接通氣源，這時滑塊在導(dǎo)軌上自由運動，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的單腳底腳螺絲，使滑塊基本靜止。

（3）動態(tài)調(diào)平：將兩個光電門架在導(dǎo)軌上，相距60cm左右。在滑塊上安放開槽遮光片，接通數(shù)字毫秒計電源，將光控方式選擇開關(guān)置于“S2”檔，復(fù)位選擇開關(guān)置于“自動”檔。輕輕推動滑塊，分別讀出遮光片通過兩個光電門的時間Δt1和Δt2，它們不等，則反復(fù)調(diào)節(jié)單腳螺絲，使它們相差不超過千分之幾秒，此時可認為氣墊導(dǎo)軌基本水平?；衅鲝膶?dǎo)軌的頂端自靜止滑下。

（4）分別記下遮光片經(jīng)過兩光電門的時間Δt1和Δt2，計算V1、V2和a。

（5）用米尺測量單腳底腳螺絲到另外兩個底腳螺絲連線間的距離，用螺旋測微器測量墊塊的厚度h，并由實驗室給出本地區(qū)重力加速度的公認值。

1.2實驗材料與裝置

材料：氣墊導(dǎo)軌，滑塊，墊塊，遮光片，光電門，數(shù)字毫秒計，氣源，螺旋測微器，游標卡尺，米尺。

2.用打點計時器法測量重力加速度

電磁打點計時器：它是利用電磁感應(yīng)原理打點計時的一種儀器，當通過4—6V低壓交流電時，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便上下振動起來，位于振片一端的振針就跟著上下振動而打點，這時，如果紙帶運動，振針就在紙帶上打出一系列點，當交流電源頻率為50Hz時，它每隔0.02s打一點，即打出的紙帶上每相鄰兩點間的時間間隔為0.02s。打點計時由于在此前學生已經(jīng)具備了用打點計時法研究勻變速直線運動，測加速度的基礎(chǔ)，加之實驗器材的誘導(dǎo)，選擇該方法的學生人數(shù)最多。通過測出相鄰的等時間內(nèi)的位移Sn、Sn+1……由g=（Sn+1-Sn）/T2（T=0.02s）求得加速度約為9.8m/s2）。

2.1實驗步驟

（1）把打點計時器固定在桌子上，對照老師準備的說明卡了解他的結(jié)構(gòu)。

（2）按照說明把紙帶裝好。

（3）啟動電源，用手水平地拉紙帶，紙帶上就打出一行小點。隨后立即關(guān)閉電源。

（4）取下紙帶，從能夠看清的某個點開始，往后數(shù)出若干個點。如果數(shù)出n個點，這些點劃分出來的間隔數(shù)是多少？由此計算出紙帶從第一個點到地n個點的運動時間。

2.2實驗材料與裝置

材料：電磁打點計時器（或電火花計時器）及紙帶、刻度尺、電源、導(dǎo)線等。

2.4注意事項

（1）電火花計時器工作時，紙帶運動時受到的阻力小，比電磁打點計時器實驗誤差小。

（2）打在紙帶上的點，記錄了紙帶運動的時間，如果把紙帶跟物體連在一起，紙帶上的點就相應(yīng)地表示出運動物體在不同時刻的位置。

（3）電源電壓要符合要求，電磁打點計時器應(yīng)使用10V以下的交流電源；電火花計時器要使用220V交流電源。

（4）實驗前要檢查打點的穩(wěn)定性和清晰程度，必要時要進行調(diào)節(jié)或更換器材。

（5）使用打點計時器應(yīng)先接通電源，待打點計時器穩(wěn)定后再用手拉紙帶。

（6）手拉紙帶時，速度應(yīng)快一些，以防點跡太密集。

由2個實驗的多次測量結(jié)果顯示，重力加速度的值在9.8m/s2左右，因此國際上將在緯度45°的海平面精確測得物體的重力加速度g=9.80665m/s2作為重力加速度的標準值。

【參考文獻】

[1]陳宏.測量重力加速度實驗方案的設(shè)計[J].教學儀器與實驗，2003年02期；23.

[2]張鳳紀.用三位置法測定重力加速度[J].甘肅教育，1994年03期；39.

[3]王勤國.王志剛.測量重力加速度的八種方法[J].高中生，2005年02期；59.

[4]匡磊.例說重力加速度的七種測定方法[J].中學物理教學參考，2002年04期；48-49.

[5]唐頌兵.我和我的學生所經(jīng)歷的高三物理課冒險[J].中國電化教育，2004年10期；49-51.

[6]劉鳳鰲.關(guān)于普通物理實驗的設(shè)計──重力加速度的多種測定方法[J].紹興文理學院學報，1995年06期；90-92.

（作者單位：浙江省玉環(huán)縣雞山鄉(xiāng)學校）endprint

自由落體運動是一種理想化的運動模型，是指物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。這種運動只有在沒有空氣阻力的空間里才能發(fā)生。注意自由落體運動的兩個基本特征：①初速度為零；②只受重力；我們常見的物體的自由下落的運動不是嚴格意義上的自由落體運動，因為物體都受到空氣阻力的影響。只有在物體所受的空氣阻力與物體的重力相比很小，可以忽略不計時，物體的下落才可近似地看作自由落體運動。整體分析：當把兩個物體捆在一起時，mC=mA+mB因為新組成的物體比上述兩個物體中的任一個都重從而下落的應(yīng)最快。局部分析：A物體下落的快，受到一個下落得慢的物體B的作用，結(jié)果就像一個大人拉著小孩向前跑，比單獨大人跑要慢，比小孩單獨跑要快一樣，他們的共同速度應(yīng)介于A、B兩物體之間即VA>VC>VB。

1.用氣軌法測量重力加速度

先將氣軌調(diào)成水平狀態(tài)，然后在氣軌的單腳底座下墊以一定厚度的墊塊，使氣軌形成斜面，滑行器從導(dǎo)軌的頂端自靜止滑下，測出滑行器的加速度。沿此斜面的加速度起因于重力加速度g的一個分量，如果軌面傾斜角為θ，則這個分量為a=gsinθ或g=a/sinθ。當角度很小時，由于θ≈sinθ，使此式進一步簡化。因此，如果角度θ以弧度為單位，則對小角度有g(shù)=a。伽利略三百多年前用來測定重力加速度的方法。測定加速度a，可以用在氣軌上光電門配合數(shù)字毫秒計的方法，角度θ=h/l。這里是h墊塊的厚度，l是氣軌底腳間的垂直距離，h必須經(jīng)過準確測量，保證足夠的精度，h的微小偏差，將引起結(jié)果的明顯誤差。

1.1實驗步驟

（1）粗調(diào)：調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下的三只底腳螺絲，使導(dǎo)軌大致水平。

（2）靜態(tài)調(diào)平：將滑塊放在導(dǎo)軌上，接通氣源，這時滑塊在導(dǎo)軌上自由運動，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的單腳底腳螺絲，使滑塊基本靜止。

（3）動態(tài)調(diào)平：將兩個光電門架在導(dǎo)軌上，相距60cm左右。在滑塊上安放開槽遮光片，接通數(shù)字毫秒計電源，將光控方式選擇開關(guān)置于“S2”檔，復(fù)位選擇開關(guān)置于“自動”檔。輕輕推動滑塊，分別讀出遮光片通過兩個光電門的時間Δt1和Δt2，它們不等，則反復(fù)調(diào)節(jié)單腳螺絲，使它們相差不超過千分之幾秒，此時可認為氣墊導(dǎo)軌基本水平。滑行器從導(dǎo)軌的頂端自靜止滑下。

（4）分別記下遮光片經(jīng)過兩光電門的時間Δt1和Δt2，計算V1、V2和a。

（5）用米尺測量單腳底腳螺絲到另外兩個底腳螺絲連線間的距離，用螺旋測微器測量墊塊的厚度h，并由實驗室給出本地區(qū)重力加速度的公認值。

1.2實驗材料與裝置

材料：氣墊導(dǎo)軌，滑塊，墊塊，遮光片，光電門，數(shù)字毫秒計，氣源，螺旋測微器，游標卡尺，米尺。

2.用打點計時器法測量重力加速度

電磁打點計時器：它是利用電磁感應(yīng)原理打點計時的一種儀器，當通過4—6V低壓交流電時，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便上下振動起來，位于振片一端的振針就跟著上下振動而打點，這時，如果紙帶運動，振針就在紙帶上打出一系列點，當交流電源頻率為50Hz時，它每隔0.02s打一點，即打出的紙帶上每相鄰兩點間的時間間隔為0.02s。打點計時由于在此前學生已經(jīng)具備了用打點計時法研究勻變速直線運動，測加速度的基礎(chǔ)，加之實驗器材的誘導(dǎo)，選擇該方法的學生人數(shù)最多。通過測出相鄰的等時間內(nèi)的位移Sn、Sn+1……由g=（Sn+1-Sn）/T2（T=0.02s）求得加速度約為9.8m/s2）。

2.1實驗步驟

（1）把打點計時器固定在桌子上，對照老師準備的說明卡了解他的結(jié)構(gòu)。

（2）按照說明把紙帶裝好。

（3）啟動電源，用手水平地拉紙帶，紙帶上就打出一行小點。隨后立即關(guān)閉電源。

（4）取下紙帶，從能夠看清的某個點開始，往后數(shù)出若干個點。如果數(shù)出n個點，這些點劃分出來的間隔數(shù)是多少？由此計算出紙帶從第一個點到地n個點的運動時間。

2.2實驗材料與裝置

材料：電磁打點計時器（或電火花計時器）及紙帶、刻度尺、電源、導(dǎo)線等。

2.4注意事項

（1）電火花計時器工作時，紙帶運動時受到的阻力小，比電磁打點計時器實驗誤差小。

（2）打在紙帶上的點，記錄了紙帶運動的時間，如果把紙帶跟物體連在一起，紙帶上的點就相應(yīng)地表示出運動物體在不同時刻的位置。

（3）電源電壓要符合要求，電磁打點計時器應(yīng)使用10V以下的交流電源；電火花計時器要使用220V交流電源。

（4）實驗前要檢查打點的穩(wěn)定性和清晰程度，必要時要進行調(diào)節(jié)或更換器材。

（5）使用打點計時器應(yīng)先接通電源，待打點計時器穩(wěn)定后再用手拉紙帶。

（6）手拉紙帶時，速度應(yīng)快一些，以防點跡太密集。

由2個實驗的多次測量結(jié)果顯示，重力加速度的值在9.8m/s2左右，因此國際上將在緯度45°的海平面精確測得物體的重力加速度g=9.80665m/s2作為重力加速度的標準值。

【參考文獻】

[1]陳宏.測量重力加速度實驗方案的設(shè)計[J].教學儀器與實驗，2003年02期；23.

[2]張鳳紀.用三位置法測定重力加速度[J].甘肅教育，1994年03期；39.

[3]王勤國.王志剛.測量重力加速度的八種方法[J].高中生，2005年02期；59.

[4]匡磊.例說重力加速度的七種測定方法[J].中學物理教學參考，2002年04期；48-49.

[5]唐頌兵.我和我的學生所經(jīng)歷的高三物理課冒險[J].中國電化教育，2004年10期；49-51.

[6]劉鳳鰲.關(guān)于普通物理實驗的設(shè)計──重力加速度的多種測定方法[J].紹興文理學院學報，1995年06期；90-92.

（作者單位：浙江省玉環(huán)縣雞山鄉(xiāng)學校）endprint