“伽利略研究自由落體”實(shí)驗(yàn)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃衛(wèi)良

（樂(lè)余高級(jí)中學(xué)，江蘇張家港215621）

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“伽利略研究自由落體”實(shí)驗(yàn)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃衛(wèi)良

（樂(lè)余高級(jí)中學(xué)，江蘇張家港215621）

摘 要：伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)在課堂演示難度大且繁瑣，為此對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用廉價(jià)微型工業(yè)傳感觸發(fā)模塊，配合改裝的電子秒表，實(shí)現(xiàn)了小球在斜面上下滑過(guò)程的自動(dòng)觸發(fā)開(kāi)表計(jì)時(shí)，以及指定位移自動(dòng)分段計(jì)時(shí)，能在15min時(shí)間內(nèi)完整重現(xiàn)伽利略的研究過(guò)程，并體驗(yàn)其研究思想.

關(guān)鍵詞：自由落體；加速度；觸發(fā)模塊；電子秒表

伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)在2002年被全美物理學(xué)家提名入選為“最美麗的十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)”，它在文獻(xiàn)［1］中單列一節(jié)，并被描述為“不僅確立了許多描述運(yùn)動(dòng)的基本概念，而且創(chuàng)造了一套對(duì)近代科學(xué)的發(fā)展極為有益的科學(xué)方法……把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理和諧地結(jié)合起來(lái)，從而發(fā)展了人類(lèi)的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法……近代科學(xué)的大門(mén)從此打開(kāi)了”.

教材中沒(méi)有把伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)設(shè)定為演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)教參也沒(méi)有提供參考實(shí)驗(yàn)方案.由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較繁瑣，實(shí)驗(yàn)難度比較大，以至于很少有物理教師愿意在課堂上重現(xiàn)該研究過(guò)程.

“伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)”的研究過(guò)程如圖1所示.不能讓學(xué)生深刻領(lǐng)略大師的風(fēng)采，實(shí)在是高中物理教學(xué)的缺憾！

圖1 伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程示意圖

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程難度較大的原因

1.1 準(zhǔn)確記錄與位移相關(guān)的時(shí)間難度較大

雖然利用斜面沖淡了重力的影響，但是由于在教室演示，軌道長(zhǎng)度有限，小球下滑得較快，例如用傾斜角為30°，長(zhǎng)度為1m的斜面，實(shí)際小球下滑的總時(shí)間少于0.6s，圖中經(jīng)過(guò)幾個(gè)設(shè)定位移的時(shí)間就更短了.這么短的時(shí)間，用手動(dòng)秒表記錄時(shí)間的誤差較大，因?yàn)槿说姆磻?yīng)時(shí)間往往會(huì)超過(guò)0.1s.

1.2 在小球釋放的瞬間進(jìn)行同步計(jì)時(shí)難度較大

在長(zhǎng)度約1m的斜面上下滑的總時(shí)間少于0.6s，因此要求確保小球釋放瞬間實(shí)現(xiàn)同步計(jì)時(shí)，誤差不能超過(guò)總時(shí)間的10%，即0.06s，否則就難于驗(yàn)證小球下滑是勻加速運(yùn)動(dòng).要滿(mǎn)足這一要求，同樣難度較大.

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣，以至于用DIS傳感器記錄數(shù)據(jù)也非常耗時(shí)

由于本實(shí)驗(yàn)需要在斜面上釋放小球，因此需要定制專(zhuān)門(mén)的小球軌道，而且傾角還要能夠調(diào)節(jié).在傾斜的小球軌道上布置DIS傳感器相對(duì)比較困難.

實(shí)驗(yàn)要得到小球在斜面上的時(shí)間和位移的關(guān)系，就需要測(cè)量多組數(shù)據(jù)，即需要小球多次重復(fù)下滑記錄經(jīng)過(guò)不同位置的數(shù)據(jù).另外還需要逐漸增大傾角，驗(yàn)證不同傾角的小球下滑也是勻加速運(yùn)動(dòng)，才能有說(shuō)服力地合理外推.這就需要測(cè)量幾十組時(shí)間和位移的關(guān)系數(shù)據(jù).

2 實(shí)驗(yàn)方案

基于以上分析，要在課堂上有限的時(shí)間內(nèi)完成該實(shí)驗(yàn)，需要針對(duì)以上難點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.筆者設(shè)計(jì)思路如下：

1）自制傾角可調(diào)小球下滑軌道，整合所有檢測(cè)裝置，無(wú)需安裝，即拿即用.

2）利用磁場(chǎng)觸發(fā)傳感模塊，檢測(cè)電磁鐵釋放動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)表計(jì)時(shí).

3）利用光電觸發(fā)傳感模塊，檢測(cè)小球是否通過(guò)指定位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分段計(jì)時(shí).

4）對(duì)電子秒表進(jìn)行改裝，引出開(kāi)表控制線和分段計(jì)時(shí)控制線，配合控制模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)表和分段計(jì)時(shí).

5）1個(gè)傾角只要小球下滑1次就能獲得多組數(shù)據(jù)，用時(shí)小于2min.完成全部實(shí)驗(yàn)過(guò)程不會(huì)超過(guò)15min.

設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖2所示.

圖2 方案設(shè)計(jì)原理框圖

3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)原理

整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.用普通窗簾塑料軌道作為小球的傾斜軌道，把軌道安裝在可以調(diào)節(jié)傾角的底座上，用卡銷(xiāo)插入小孔的方式，可以方便地調(diào)節(jié)傾角為30°，50°，70°，90°.

圖3 整體裝置結(jié)構(gòu)示意

對(duì)秒表進(jìn)行改裝，在秒表電路板上找出和“開(kāi)表”、“分段計(jì)時(shí)”相關(guān)的焊點(diǎn)，焊接引線，連接到控制模塊.

電磁鐵斷電瞬間失去磁性，小球開(kāi)始下滑的同時(shí)，磁場(chǎng)觸發(fā)傳感模塊把信號(hào)傳送給控制模塊，控制秒表自動(dòng)開(kāi)表開(kāi)始計(jì)時(shí).

小球經(jīng)過(guò)特定的幾個(gè)位置（位移分別為1倍、2倍、3倍、4倍），各個(gè)位置的光電觸發(fā)傳感模塊把觸發(fā)信號(hào)傳送給控制模塊，控制秒表自動(dòng)開(kāi)始分段計(jì)時(shí).小球只要下滑1次就能得4組位移與時(shí)間的數(shù)據(jù).

3.2 “小球釋放同步計(jì)時(shí)”設(shè)計(jì)

圖4所示是廉價(jià)的微型工業(yè)磁場(chǎng)觸發(fā)模塊.如果左端的干簧管檢測(cè)到磁場(chǎng)，模塊的輸出腳就輸出低電位信號(hào)；如果檢測(cè)不到磁場(chǎng)，就輸出高電位信號(hào).

圖4 磁場(chǎng)觸發(fā)模塊

圖5中把磁場(chǎng)觸發(fā)模塊安裝在電磁鐵附近，當(dāng)小球被電磁鐵吸附靜止時(shí)，電磁鐵的磁場(chǎng)會(huì)觸發(fā)模塊，此時(shí)模塊輸出腳是低電位.當(dāng)電磁鐵斷電釋放小球瞬間，電磁鐵的磁場(chǎng)瞬間消失，模塊檢測(cè)不到磁場(chǎng)，就輸出高電位，該高電位信號(hào)傳送到控制模塊，用于控制秒表自動(dòng)計(jì)時(shí).

圖5 同步開(kāi)表裝置

3.3 “設(shè)定位移自動(dòng)分段計(jì)時(shí)”設(shè)計(jì)

圖6所示是廉價(jià)的微型工業(yè)光電模塊，是帶處理電路的小型光電門(mén).當(dāng)發(fā)射端和接收端間有物體通過(guò)時(shí)，紅外線被擋住，其輸出腳為高電位信號(hào)；沒(méi)有物體通過(guò)，就輸出低電位信號(hào).

圖6 光電模塊

用電烙鐵把模塊上的發(fā)射端和接收端拆下，并把它們固定在軌道指定位置的兩端，再通過(guò)引線把發(fā)射端和接收端重新和模塊相連，如圖7所示.當(dāng)小球下滑通過(guò)該位置時(shí)，就會(huì)被模塊檢測(cè)到，從而輸出高電位信號(hào).該信號(hào)傳送給控制模塊，用于控制秒表自動(dòng)分段計(jì)時(shí).

在軌道距離釋放點(diǎn)20，40，60，80cm處，分別安裝4個(gè)光電觸發(fā)模塊.小球只要下滑1次，就能自動(dòng)進(jìn)行4次分段計(jì)時(shí)，從而得到4組時(shí)間與位移的數(shù)據(jù).

圖7 把發(fā)射端、接收端、模塊安裝在軌道上

3.4 秒表控制功能設(shè)計(jì)

圖8中的控制模塊就是微型化的小型固態(tài)繼電器控制模塊.在其輸入端輸入高電位或低電位信號(hào)，就能控制繼電器輸出端觸點(diǎn)斷開(kāi)或閉合.

拆開(kāi)秒表外殼，取下電路板，就能發(fā)現(xiàn)和“開(kāi)表鍵”、“分段計(jì)時(shí)鍵”所在位置對(duì)應(yīng)的2組金屬觸點(diǎn)，如圖8所示.

在這2組金屬觸點(diǎn)上，分別焊接2根細(xì)軟的導(dǎo)線，引出到秒表外，再把秒表的外殼裝好.

從開(kāi)表觸點(diǎn)引出的2根軟導(dǎo)線，與控制模塊1的繼電器輸出端相連.當(dāng)控制模塊接收到磁場(chǎng)觸發(fā)模塊的信號(hào)后，就能讓“常開(kāi)端”和“公共端”閉合，相當(dāng)于按下了“開(kāi)表鍵”，于是秒表計(jì)時(shí).

圖8 秒表控制功能設(shè)計(jì)

從分段計(jì)時(shí)觸點(diǎn)引出的2根軟導(dǎo)線，和控制模塊2的繼電器輸出端相連.當(dāng)控制模塊接收到光電觸發(fā)模塊的信號(hào)后，就能讓“常開(kāi)端”和“公共端”閉合，相當(dāng)于按下了“分段計(jì)時(shí)鍵”，于是秒表就開(kāi)始分段計(jì)時(shí)了.

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

接通電磁鐵12V電源，接通2個(gè)觸發(fā)模塊和2個(gè)控制模塊的5V電源，開(kāi)啟秒表處于待機(jī)狀態(tài)，將1個(gè)直徑為2cm的小球吸附在電磁鐵上.

調(diào)節(jié)軌道傾角為30°，斷開(kāi)繼電器的12V電源，在小球快速下滑過(guò)程中，秒表自動(dòng)開(kāi)表和分段計(jì)時(shí).不到1s，就得到了4組時(shí)間和位移的數(shù)據(jù).按秒表查詢(xún)鍵，依次顯示小球經(jīng)過(guò)4個(gè)光電觸發(fā)模塊對(duì)應(yīng)的時(shí)間.調(diào)節(jié)傾角為50°和70°，重復(fù)以上過(guò)程即可.

表1為實(shí)測(cè)的1組數(shù)據(jù)（傾角為30°）.數(shù)據(jù)比較理想，能清楚得出小球下滑過(guò)程中位移與時(shí)間的二次方成正比，誤差小于10%.筆者分析誤差主要來(lái)源是：小球是滾動(dòng)下滑產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，及控制模塊的小型繼電器有反應(yīng)時(shí)間，該兩項(xiàng)不能忽略.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

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An creative design of the experiment of free falling body

HUANG Wei－liang
（Leyu Middle School，Zhangjiagang 215621，China）

Abstract：The traditional experiment of free falling body is difficult and complicated to demonstrate.So the experiment was improved by using low－cost mini－type trigger module and modified electronic stopwatch.When the ball was sliding on oblique plane，the stopwatch was automatically triggered.The whole experiment process could be accomplished within 15min.

Key words：free falling body；acceleration；trigger module；electronic stopwatch

作者簡(jiǎn)介：黃衛(wèi)良（1972－），男，江蘇張家港人，樂(lè)余高級(jí)中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

收稿日期：2015－09－29；修改日期：2015－12－01

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005－4642（2016）03－0042－04

［責(zé)任編輯：尹冬梅］