一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法

1.本发明涉及一种物理实验装置，尤其涉及一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法。


背景技术：

2.在中学物理教学中，自由落体运动是一个重要学习内容，根据伽利略的研究结果得出，自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。并直接指出一切物体在自由落体运动中的加速度都相同，这个加速度叫做自由落体加速度，也叫做重力加速度，通常用g来表示，在通常的计算中可以把g值取作9.8m/s2。但是在教学中直接的告诉学生重力加速度值的大小，会令学生难以信服，也不能对重力加速度概念有深入的理解，中学物理需要训练学生的形象思维为能力，并通过对现象的观察和演示实验使学生建立物理概念，认识其规律，获得定性知识。
3.自由落体运动的位移公式为
[0004][0005]
学生需要有最直接的方法验证上述公式，测出加速度a的数值，但现有的重力加速度测量方法有的需要间接去测量理解，有的需要复杂的现代测量仪器，装置很复杂，并没有直观的方法，直接的通过物体自由下落的距离和所用时间的关系，验证自由落体的加速度a就是重力加速度g，且g＝9.8m/s2。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法，用以直接的验证自由落体运动的位移公式，适合于初学者的实验教学，直接的通过自由落体位移与时间的关系求出重力加速度的数值。
[0007]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]
一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法如图1所示，包括底座1、金属球2、c线3、金属板4、左立柱5、横梁6、a杆8、b杆9、横长孔10、右立柱11、b线12、a线13、螺母14、下杆15、竖长孔16、线夹17。
[0009]
所述的底座1为金属长板形，底座1的左侧竖直向上固定安装左立柱5，底座1的右侧竖直向上固定安装右立柱11，左立柱5与右立柱11的顶端固定安装横梁6。
[0010]
所述的横梁6为长方形金属板条，金属板条中间带有横长孔10，横长孔10内插入a杆8与b杆9，a杆8与b杆9可以在横长孔10内横向滑动，并通过螺母14在横长孔10内任一位置处固定，如图2所示。
[0011]
所述的右立柱11中部加工有竖长孔16，竖长孔16内安装有下杆15，下杆15可以在竖长孔16内上下滑动，并通过螺母可以将下杆15在竖长孔16内任一位置处固定。
[0012]
所述的竖长孔16的下部安装线夹17。
[0013]
所述的a杆8上悬吊金属板4，a线13一端与金属板4上端中心连接，另一端绕过a杆8并绕过下杆15后用线夹17夹住。
[0014]
所述的b杆上悬吊金属球2，b线12的一端与金属球2连接，另一端端直接连接在b杆9上。
[0015]
所述的金属板4长度为60-70cm，宽度为8-10cm，悬吊在a杆8上后，底端高度低于下杆15的高度，所述的金属球2悬吊在b杆上后，在以b杆为中心沿着与左立柱5与右立柱11所在的平面平行摆动时，金属球最右侧球面能恰好与下杆15接触。
[0016]
所述的金属球2最右侧球面上连接c线3，拉动c线3的另一端绕过下杆15后，在金属球2右侧球面与下杆15接触时用线夹17将c线3夹住。
[0017]
所述的a线13、b线12及c线3，均采用高强度且摩擦阻力小的细丝线；
[0018]
作为优选，a线13采用线径0.5mm高强力尼龙线，b线12及c线3采用线径为0.3mm的胶丝线，两种线淘宝有售。
[0019]
测量方法：(1)采用上述装置，取b线12的长度为某一确定数值，在金属球2最左侧球面涂抹一点红色印尼，在没有连接c线3情况下测出金属球2的摆动周期，然后移动金属板4靠近并恰好接触金属球2，在金属板4表面下端印下一个红点，然后在金属球2上连接c线3，绕过下杆15拉动c线3，使得金属球2贴靠下杆15后用线夹17夹紧。(2)用剪刀在下杆15处同时将a线13及c线3剪断，金属板4下落同时金属球2向平衡位置回摆，金属球2经历四分之一周期摆动后与下落的金属板4相撞，在金属板4上再次印上一个红点，金属板4上两个红点之间的距离即是金属球2摆动四分之一周期时间所下落的距离，根据即可求出加速度a值，即是重力加速度值g＝9.8m/s2。
[0020]
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法的有益效果为：(1)可以直接的展示自由落体运动的位移和时间的关系，通过自由落体位移与时间的关系求出重力加速度的数值，物理意义清晰明确，形象直观，适合于初学者的教学实验；(2)实验方便快捷，既可以作为学生的分组实验，也可以作为课堂教学演示实验；(3)实验装置结构简单，制作方便，成本低。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例提供的一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法的结构示意图。
[0022]
图2为本发明实施例提供的一种直观的自由落体运动实验装置及实验方法的横梁的后视图示意图。
[0023]
图中：1、底座，2、金属球，3、c线，4、金属板，5、左立柱，6、横梁，7、横梁刻度，8、a杆，9、b杆，10、横长孔，11、右立柱，12、b线，13、a线，14、螺母，15、下杆，16、竖长孔，17、线夹。
具体实施方式
[0024]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0025]
底座1为整体装置的基础，采用金属长板形状，底座1的左侧竖直向上固定安装左
立柱5，底座1的右侧竖直向上固定安装右立柱11，左立柱5与右立柱11的顶端固定安装横梁6，整体构成门字形支架。其中横梁6为长方形金属板条，金属板条中间带有横长孔10，横长孔10内插入a杆8与b杆9，a杆8与b杆9可以在横长孔10内横向滑动，并通过螺母14在横长孔10内任一位置固定；右立柱11中部加工有竖长孔16，竖长孔16内安装有下杆15，下杆15可以在竖长孔16内上下滑动，并通过如a杆8及b杆9上的螺母14相同的方式，可以将下杆15在竖长孔16内任一位置处固定。
[0026]
在竖长孔16的下部安装线夹17，线夹17为木质材料制成，能将细丝线夹住。
[0027]
a杆8上悬吊金属板4，a线13一端与金属板4上端中心连接，另一端绕过a杆8并绕过下杆15后用线夹17夹住固定，这样可以保证悬吊的金属板4与水平面保持垂直。
[0028]
b杆上悬吊金属球2，b线12的一端与金属球2连接，另一端端直接连接在b杆9上。
[0029]
为了减少空气阻力的影响，并能够在下落中与金属球2相碰撞，金属板4长度为60-70cm，宽度为8-10cm。而且悬吊在a杆8上后，底端高度略低于下杆15的高度，以保证金属球2悬吊在b杆上后，既可以和金属板4下端相接触，又可以在以b杆为中心沿着与左立柱5与右立柱11所在的平面平行摆动时，金属球右侧球面能恰好与下杆15接触。
[0030]
实验时金属球2最右侧球面上连接c线3，拉动c线3的另一端绕过下杆15后，在金属球右侧球面与下杆15接触时用线夹17将c线3夹住。
[0031]
所述的a线13、b线12及c线3，均采用高强度且摩擦阻力小的细线，悬挂的金属板4较重，所以a线13采用线径0.5mm高强力尼龙线，b线12及c线3仅用于悬挂金属球2，受力很小所以采用线径为0.3mm的胶丝线，尼龙线与胶丝线表面光滑，对运动件产生的影响极小，这两种线在淘宝均可以买到。
[0032]
横梁刻度7作为a杆8与b杆9移动及金属球2摆动角度大小的参考。
[0033]
1、课堂演示实验
[0034]
(1)采用上述装置，取b线12的长度为某一确定数值，在金属球2左侧球面涂抹一点红色印尼，在没有连接c线3情况下测出金属球2的摆动周期，然后移动金属板4靠近并恰好接触金属球2，在金属板4表面下端印下一个红点，然后在金属球2上连接c线3，绕过下杆15拉动c线3，使得金属球2贴靠下杆15后用线夹17夹紧。(2)用剪刀在下杆15处同时将a线13及c线3剪断，金属板4下落同时金属球2向平衡位置回摆，金属球2经历四分之一周期摆动后与下落的金属板4相撞，在金属板4上再次印上一个红点，金属板4上两个红点之间的距离即是金属球2摆动四分之一周期时间所下落的距离，根据即可求出加速度a值，即是重力加速度值g＝9.8m/s2。
[0035]
其中四分之一周期的测量方法为：单摆的周期只与摆长有关，所以可以在某一确定的摆长时，移开金属板4，用秒表测量20个周期所用的总时间，再平均到四分之一周期，非常准确。如果学生没有学到单摆的原理，但摆的等时性小学生的常识课及课外活动都已经掌握，只要知道摆的周期如何测量即可。
[0036]
2、分组实验
[0037]
(1)固定b线12的长度，保持金属球2在金属板4上红点的初始位置不变，重复“1、课堂演示实验”的步骤3-4次，将每次上下两个红点之间的距离取平均值再用公式
求出重力加速度值，可以大大提高精度。
[0038]
(2)改变b线12的长度，如改变摆长为30cm、40cm、50cm等，而金属板4的位置随着b线12的长度改变而改变，重复“1、课堂演示实验”的步骤，将每次测得的重力加速度值取平均值，以提高测量精度。此时需要调节下杆15的位置，以确保拉动c线3时，金属球2右侧球面能恰好与下杆15接触，用剪刀在下杆15处同时将a线13及c线3剪断，金属球2上所带的丝线极短，不会对金属球2的运动产生影响，即因此而产生的运动周期误差极小，可以忽略。
[0039]
实验中，需要金属板4与左立柱5与右立柱11所在的平面垂直，可先用手保持其静止一会再用剪刀在下杆15处同时将a线13及c线3剪断，金属板4下落同时金属球2向平衡位置回摆，在这四分之一周期的极短时间内，金属板4不会再发生偏转，金属球2也不会有较大的转动，可以保证金属球2与金属板4正面相撞并在金属板4上印上红点。
[0040]
选定金属球2运动四分之一周期测量金属板4的下落距离，第一是此位置是明确的，只要在金属球2位于平衡位置时金属板4与金属球2刚好接触，金属球2从初始位置回摆，与下落的金属板4相撞时，金属球2运动时间恰好是四分之一周期；第二是在此位置处金属球具有足够的能量撞击金属板4，留下明确的印点。
[0041]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。