重力加速度實驗測量方法及改進(jìn)

李炎澤

重力加速度的測量實驗是物理課程中一個經(jīng)典實驗，有較多的測量方法，各有利弊.比如，落球計時法，在很大程度上簡化了實驗操作，但是因為磁感線對小球運(yùn)動的影響，使相關(guān)計時數(shù)據(jù)的精確度不高，導(dǎo)致重力加速度的測量結(jié)果偏差較大；火花計時法，雖然程序較為簡單，計算方便，但是該方法的定位精確度與安全性一般相對較低，對實驗結(jié)果產(chǎn)生了較大的影響.在一般情況下，只要在相同的實驗步驟與地點下，都能獲得相似的實驗數(shù)據(jù)，但是在實際過程中，一些小因素會對實驗結(jié)果造成影響，如設(shè)備使用情況、操作規(guī)范性等.下面就重力加速度實驗測量方法及改進(jìn)談點體會.

一、改進(jìn)重力加速度測量實驗的意義

1.減小誤差.目前，在物理界存在眾多測量重力加速度的方法，但是不可否認(rèn)，其都存在一定的誤差.這是因為空氣阻力無處不在.各類測量方法各有利弊.分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)一般都存在一定的偏差，這與空氣的阻力、海拔以及地球緯度等都有很大的關(guān)系.因此，在實驗時，不僅應(yīng)該根據(jù)規(guī)范的程序進(jìn)行操作，最大程度降低誤差，還應(yīng)該對實驗程序進(jìn)行必要的思考，對實驗加以改進(jìn).

2.為物理學(xué)發(fā)展奠定基礎(chǔ).重力加速度是物理學(xué)中的重要內(nèi)容，對該物理量的研究比較復(fù)雜，其會在一定程度上受到海拔高度與地球緯度的影響，但是其在生活中無處不在.對于該物理量的研究與學(xué)習(xí)，能夠為后期的壓力、行星運(yùn)動以及磁感應(yīng)強(qiáng)度的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).因此，加強(qiáng)對重力加速度相關(guān)課題的研究，清楚了解該物理量的測量過程，能夠有效升華人們對物理系統(tǒng)的認(rèn)識，從而為以后的物理學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).

3.深化學(xué)習(xí)內(nèi)容.實驗課程能夠在一定程度上提高學(xué)生的動手能力、自主思考能力以及合作精神等，同時是對理論知識的實踐與鞏固，從而讓學(xué)生了解在理論課上無法理解的知識與問題.實驗方法的改進(jìn)能夠讓學(xué)生對重力加速度有更深層次的思考，讓學(xué)生明白實驗的開展不應(yīng)該僅僅關(guān)注表象，還應(yīng)該對程序與步驟進(jìn)行深入思考，在現(xiàn)有的條件下，對其進(jìn)行必要的完善與改進(jìn)，從而達(dá)到更精確的測量結(jié)果.因此，測量方式的改進(jìn)能夠在一定程度上讓學(xué)生通過簡單的實驗學(xué)到更多的知識，從而進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)內(nèi)容.

二、重力加速度的主要測量方法

1.激光計時法.該種方法在一定程度上解決了光電測量法中定位不精確、磁電干擾大等問題，提高了測量結(jié)果的精確度，簡化了實驗程序，提高了實驗設(shè)備的抗干擾性能.另外，激光位置容易調(diào)整與固定，在很大程度上降低了實驗誤差.相較于落球法，該種測量法主要在兩大方面進(jìn)行了改進(jìn)，一是將小球替換為圓柱形的物體，二是把光電測量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す?，在物體下落的過程中，將會擋住激光，從而設(shè)備開始自動進(jìn)行相關(guān)的計時操作，在很大程度上提高測量結(jié)果的精確度.

2.打點計時器測量法.小球在自由落體中的運(yùn)動狀態(tài)為勻加速直線運(yùn)動，利用打點計時器能夠了解在每個相同的時間間隔里小球的運(yùn)動情況，通過對紙帶的分析與計算，能夠快速得到本地區(qū)重力加速度的測量值，但是該實驗不可避免地存在一些誤差，如紙帶與設(shè)備的摩擦、空氣阻力的存在等會在很大程度上降低小球下落的速度，從而使重力加速度的測量值遠(yuǎn)小于理論值.另外，若設(shè)備打點不夠清晰，就會帶來一定的視覺誤導(dǎo)，從而對測量值造成影響.因此，要想對打點計時器測量法進(jìn)行改進(jìn)，首先要減小實驗過程中的摩擦，如可以通過更新設(shè)備、升級紙帶材料等方法減小摩擦.

3.三線擺測量法.該種方法是大學(xué)物理課程中用于測量小球運(yùn)動慣量的主要方法.在設(shè)備系統(tǒng)中，主要通過將三條長度相同的擺線把兩個圓形轉(zhuǎn)盤連接起來，上邊的轉(zhuǎn)盤保持固定，而下邊的轉(zhuǎn)盤則處于懸掛狀態(tài)中，從而能夠進(jìn)行扭擺.該設(shè)備系統(tǒng)的周期與其轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)量等都具有密切的聯(lián)系，因此，通過測量設(shè)備運(yùn)動周期與重量，利用公式能夠快速地得到其轉(zhuǎn)動慣量，然后使用平軸定理，就可以得到重力加速度的實驗值.在實際操作中，該方法的程序較為復(fù)雜，操作也比較困難，應(yīng)該對誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制，如保證三根擺線的長度一致、固定好設(shè)備系統(tǒng)等，這樣都能在很大程度上提高實驗結(jié)果的精確度.

綜上所述，通過對大學(xué)與高中多種重力加速度物理測量方式的分析，能夠?qū)ο嚓P(guān)內(nèi)容進(jìn)行引導(dǎo)性的闡述.因此，在實驗過程中，實驗人員應(yīng)該充分考慮自身的基本條件與具體情況，如設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境條件等，從而選擇合理的測量方式開展相關(guān)的實驗，進(jìn)一步達(dá)到對理論知識的鞏固與了解，實現(xiàn)創(chuàng)新性與拓展性思維的提升.另外，實驗人員還應(yīng)該自主思考造成實驗誤差的因素，并在最大程度上降低誤差因素對實驗結(jié)果的影響，達(dá)到改進(jìn)實驗的目的.