自由落體運動實驗的“原味”教學(xué)研究

伽利略利用斜面實驗研究自由落體運動規(guī)律是中學(xué)物理中最經(jīng)典的實驗之一，人教版高中《物理·必修1》用一節(jié)課的篇幅介紹這個實驗研究，足見其重要性。 在還原實驗時由于現(xiàn)代儀器的介入，會失去實驗的原味，對學(xué)生科學(xué)思想的教育是不利的，而還原實驗原味又會碰到計時困難，實驗誤差過大，掩蓋實驗的本質(zhì)規(guī)律等問題，教學(xué)過程中如何克服這些問題呢?一、累積滴水計時，還實驗本色 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狀態(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。自由落體的加速度即是一個不變的常量。它是初速為零的勻加速直線運動。

一、伽利略自由落體實驗

1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的實驗，得出了重量不同的兩個鐵球同時下落的結(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，糾正了這個持續(xù)了1900多年之久的錯誤結(jié)論。關(guān)于自由落體實驗，伽利略做了大量的實驗，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，并測定下落時間有多少差別。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。

伽利略認為，重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。他猜想落體運動應(yīng)該是一種最簡單的變速運動，物體的速度應(yīng)該是均勻變化的。自由落體下落的時間太短，當時用實驗直接驗證自由落體是勻加速運動仍有困難。

伽利略采用了間接驗證的方法，他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實驗，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落時的加速度小得多，所以時間容易測量些。

實驗結(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間的平方之比是不變的即位移與時間的平方呈正比。由此證明了小球沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動，換用不同質(zhì)量的小球重復(fù)上述實驗，位移跟所用時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動的情況是相同的。

不斷增加大斜面的傾角，重復(fù)上述實驗，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動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，這時小球?qū)⒆杂上侣?，成為自由落體伽利略認為，這時小球仍然會保持勻變速運動的性質(zhì)。這種從斜面運動到落體運動的外推，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?，F(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)過實驗的驗證才能得到承認。

伽利略對自由落體的研究，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)實驗相結(jié)合的方法，這種方法對于后來的科學(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、自由落體實驗改進

實驗步驟

1、按上圖的實驗裝置固定好鐵夾和電火花打點計時器。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，并連接好打點計時器的電源。

2、把雙紙帶的一端固定在重錘上，另一端穿過打點計時器的線位孔，并向上提紙帶到一定位置，用夾子夾住。然后調(diào)節(jié)打點計時器和夾子的位置，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動。

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

4、更換紙帶，重復(fù)上述實驗。

5、從幾條紙帶中，選出第1，2點間的距離近2mm，并且點跡清晰的的紙帶進行測量。

6、記錄的實驗數(shù)據(jù)如下表。計數(shù)點間的時間間隔為0.04s。

數(shù)據(jù)處理

1、學(xué)生利用實驗數(shù)據(jù)，在坐標上作出相應(yīng)的位移-時間圖像、位移-時間平方圖像。

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動的位移與時間的關(guān)系、位移與時間平方的關(guān)系。

4、在Excel還可以根據(jù)上圖，添加趨勢線即線性擬合，得到下圖的線形圖。進一步得到了位移與時間平方的關(guān)系式s=4.8535t2+0.0002.在實驗的誤差范圍之內(nèi)可以認為s=4.8535t2，并能測出重力加速度的值g=4.8535×2m/s2 =9.707m/s2 。

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

實驗優(yōu)點

1、實驗仍沿用教材中的實驗器材，只是多了一個鐵夾子和小重錘，并利用了桌子的穩(wěn)定性，從而提高整個實驗的穩(wěn)定性。

2、經(jīng)過改裝后，紙帶上的起始點很清晰，只做一次就能得到一條第1，2點間的距離近2mm的理想紙帶，節(jié)省了許多時間，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動，而是用來測重力加速度的值，用Δs=gt2來求重力加速度的值，精確度更高。