自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的“原味”教學(xué)研究

伽利略利用斜面實(shí)驗(yàn)研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是中學(xué)物理中Z經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)之一，人教版高中《物理·必修1》用一節(jié)課的篇幅介紹這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究，足見其重要性。 在還原實(shí)驗(yàn)時(shí)由于現(xiàn)代儀器的介入，會(huì)失去實(shí)驗(yàn)的原味，對(duì)學(xué)生科學(xué)思想的教育是不利的，而還原實(shí)驗(yàn)原味又會(huì)碰到計(jì)時(shí)困難，實(shí)驗(yàn)誤差過大，掩蓋實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)規(guī)律等問題，教學(xué)過程中如何克服這些問題呢?一、累積滴水計(jì)時(shí)，還實(shí)驗(yàn)本色 后人在用伽利略的器... 更多

不受任何阻力，只在重力作用下而降落的物體，叫“自由落體”。如在地球引力作用下由靜止?fàn)顟B(tài)開始下落的物體。地球表面附近的上空可看作是恒定的重力場(chǎng)。自由落體的加速度即是一個(gè)不變的常量。它是初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

一、伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)

1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的實(shí)驗(yàn)，得出了重量不同的兩個(gè)鐵球同時(shí)下落的結(jié)論，從此推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學(xué)說，糾正了這個(gè)持續(xù)了1900多年之久的錯(cuò)誤結(jié)論。關(guān)于自由落體實(shí)驗(yàn)，伽利略做了大量的實(shí)驗(yàn)，他站在斜塔上面讓不同材料構(gòu)成的物體從塔頂上落下來，并測(cè)定下落時(shí)間有多少差別。輕重物體的自由下落速度是相同的，即重力加速度的大小都是相同的。

伽利略認(rèn)為，重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。他猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種最簡單的變速運(yùn)動(dòng)，物體的速度應(yīng)該是均勻變化的。自由落體下落的時(shí)間太短，當(dāng)時(shí)用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證自由落體是勻加速運(yùn)動(dòng)仍有困難。

伽利略采用了間接驗(yàn)證的方法，他讓一個(gè)銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實(shí)驗(yàn)，小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度要比它豎直下落時(shí)的加速度小得多，所以時(shí)間容易測(cè)量些。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光滑斜面的傾角保持不變，從不同位置讓小球滾下，小球通過的位移跟所用時(shí)間的平方之比是不變的即位移與時(shí)間的平方呈正比。由此證明了小球沿光滑斜面向下的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，換用不同質(zhì)量的小球重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，位移跟所用時(shí)間的平方的比值仍不變，這說明不同質(zhì)量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情況是相同的。

不斷增加大斜面的傾角，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得出的值隨斜面傾角的增加而增大，這說明小球做勻變速運(yùn)動(dòng)的加速度隨斜面傾角的增大而變大。

伽利略將上述結(jié)果做了合理的外推，把結(jié)論外推到斜面傾角增大到90°的情況，這時(shí)小球?qū)⒆杂上侣洌蔀樽杂陕潴w伽利略認(rèn)為，這時(shí)小球仍然會(huì)保持勻變速運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。這種從斜面運(yùn)動(dòng)到落體運(yùn)動(dòng)的外推，是很巧妙的。不過，用外推法得出的結(jié)論，并不一定都是正確的。現(xiàn)代物理研究中也常用外推法，但用這種方法得到的結(jié)論都要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才能得到承認(rèn)。

伽利略對(duì)自由落體的研究，開創(chuàng)了研究自然規(guī)律的科學(xué)方法，這就是抽象思維、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，這種方法對(duì)于后來的科學(xué)研究具有重大的啟蒙作用，至今仍不失為重要的科學(xué)方法之一。

二、自由落體實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)步驟

1、按上圖的實(shí)驗(yàn)裝置固定好鐵夾和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。把帶線的小重錘纏繞在小木棒上。讓重錘自由懸掛在鐵夾上，并連接好打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源。

2、把雙紙帶的一端固定在重錘上，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的線位孔，并向上提紙帶到一定位置，用夾子夾住。然后調(diào)節(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和夾子的位置，使得紙帶和重錘在同一豎直平面上。具體方法是：把帶有小重錘的小木棒移到紙帶邊，觀察紙帶與小重錘線是否平行，平行后，把小重錘移到一邊，目的是為了不影響重錘的運(yùn)動(dòng)。

3、接通電源，迅速按鐵夾放紙帶，讓重錘帶著紙帶自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一列小點(diǎn)。關(guān)閉電源，取下紙帶。

4、更換紙帶，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

5、從幾條紙帶中，選出第1，2點(diǎn)間的距離近2mm，并且點(diǎn)跡清晰的的紙帶進(jìn)行測(cè)量。

6、記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表。計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為0.04s。

數(shù)據(jù)處理

1、學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)上作出相應(yīng)的位移-時(shí)間圖像、位移-時(shí)間平方圖像。

2、教師也可根據(jù)學(xué)生的數(shù)據(jù)在Excel中作出圖像，如下圖所示。

3、由學(xué)生從圖像中推得自由落體運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系、位移與時(shí)間平方的關(guān)系。

4、在Excel還可以根據(jù)上圖，添加趨勢(shì)線即線性擬合，得到下圖的線形圖。進(jìn)一步得到了位移與時(shí)間平方的關(guān)系式s=4.8535t2+0.0002.在實(shí)驗(yàn)的誤差范圍之內(nèi)可以認(rèn)為s=4.8535t2，并能測(cè)出重力加速度的值g=4.8535×2m/s2 =9.707m/s2 。

5、學(xué)生根據(jù)圖像可知，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

1、實(shí)驗(yàn)仍沿用教材中的實(shí)驗(yàn)器材，只是多了一個(gè)鐵夾子和小重錘，并利用了桌子的穩(wěn)定性，從而提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。

2、經(jīng)過改裝后，紙帶上的起始點(diǎn)很清晰，只做一次就能得到一條第1，2點(diǎn)間的距離近2mm的理想紙帶，節(jié)省了許多時(shí)間，從而提高了課堂效率。

3、如果其他教材不是用來探究自由落體運(yùn)動(dòng)，而是用來測(cè)重力加速度的值，用Δs=gt2來求重力加速度的值，精確度更高。