新型自由落體實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)研究

蔡天璐+劉利利

摘 要：物理是基于實(shí)驗(yàn)的一門(mén)自然科學(xué)，其相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器的精確性、操作的可行性對(duì)物理的探究過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。由于物理所涉范圍較廣，多數(shù)高校所儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器不甚完備，加之課時(shí)設(shè)置及安排上的局限性，致使學(xué)生不能在課堂上完成一些相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?；趯?duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的思索及改進(jìn)策略的考量，為了將實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)易化、直觀化，設(shè)計(jì)并公開(kāi)了一種新型物理自由落體實(shí)驗(yàn)裝置。

關(guān)鍵詞：新型自由落體實(shí)驗(yàn)裝置 簡(jiǎn)易化 直觀化

中圖分類(lèi)號(hào)：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（c）-0247-02

本文所介紹的實(shí)驗(yàn)裝置，是一種基于物理自由落體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)用具，便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，對(duì)自由落體規(guī)律的探究具有較強(qiáng)的針對(duì)性。自由落體運(yùn)動(dòng)是一種理想狀態(tài)下的物理模型，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及規(guī)律基于對(duì)理論化數(shù)據(jù)的處理與分析[1]。因而在實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際問(wèn)題加以分析。在現(xiàn)有的自由落體實(shí)驗(yàn)中，每次實(shí)驗(yàn)都需重新投放條形物體或小球，且落體演示過(guò)程不夠直觀。本產(chǎn)品旨在簡(jiǎn)化自由落體實(shí)驗(yàn)的操作步驟，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為直觀，所得結(jié)論更具說(shuō)服力。在完善相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器中現(xiàn)存不足的同時(shí)，豐富了物理的教學(xué)課堂，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，推動(dòng)了與之相關(guān)的教學(xué)工作，在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)與理論的結(jié)合度。

1 新型裝置改進(jìn)的理論依據(jù)

由力學(xué)的基本理論可知：對(duì)于地球附近的一切物體，無(wú)論質(zhì)量大小、形狀如何，都受到地球?qū)ζ湄Q直向下的吸引力，我們稱(chēng)之為重力。在物理上將物體只在重力的作用下，做初速度為零的豎直向下運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為自由落體運(yùn)動(dòng)。利用物理自由落體實(shí)驗(yàn)裝置，以上述理論為基礎(chǔ)，綜合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)依據(jù)展開(kāi)研究。該裝置設(shè)置有電磁線(xiàn)圈，通電后電磁線(xiàn)圈吸附鐵球，將其斷電后鐵球掉落，實(shí)現(xiàn)自由落體。在此基礎(chǔ)上設(shè)置有數(shù)碼管，通過(guò)數(shù)碼管顯示鐵球的掉落時(shí)間，并借助刻度尺進(jìn)行相關(guān)的附帶連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵球下落高度的讀數(shù)。諸多環(huán)節(jié)緊密相扣，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)完備、形式獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)裝置。

2 新型裝置的研究過(guò)程

物理的發(fā)展重在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新[2]。通過(guò)對(duì)理論文獻(xiàn)的思考及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的探究，將電磁領(lǐng)域的知識(shí)巧妙地應(yīng)用于自由落體實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)之中。并結(jié)合自由落體運(yùn)動(dòng)在實(shí)際操作中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步修整。物理實(shí)驗(yàn)講究化繁為簡(jiǎn)、化曲為直，實(shí)現(xiàn)抽象問(wèn)題具象化[3]。本項(xiàng)研究從實(shí)驗(yàn)的直觀性出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有的自由落體實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了相關(guān)的總結(jié)與修繕，最終促成了此裝置的誕生。

3 新型裝置操作的具體步驟

該裝置中，所述固定螺栓安裝在頂板的螺紋孔上，所述定位器安裝在升降桿上，在裝置的定位器上安裝定位螺釘，頂板設(shè)置通孔，頂板底側(cè)設(shè)置電磁線(xiàn)圈，將所述收集杯固定在底座的頂側(cè)面上，所述第一數(shù)碼管、第二數(shù)碼管和第三數(shù)碼管依次安裝在底座的同一側(cè)面上，立柱安裝在底座頂部的側(cè)面上，立柱的內(nèi)部安裝升降桿。輕觸開(kāi)關(guān)17采用樂(lè)清市日精電氣的12×12防水型，數(shù)碼管18采用方舟科技電子的三位數(shù)碼管，MCU19采用STM32F100ZCT6B型。第一船型開(kāi)關(guān)20、第二船型開(kāi)關(guān)21、第三船型開(kāi)關(guān)22及第四船型開(kāi)關(guān)23均采用星坤XKB的 01D1-2010019BB型。調(diào)整升降桿10在立柱11上的位置至合適的高度，通過(guò)定位器2和定位螺釘12將升降桿10固定，并閉合第一船型開(kāi)關(guān)20，將該裝置與電源16接通。此時(shí)MCU19將三個(gè)電磁線(xiàn)圈15通電，可將三個(gè)大小不一的鐵球分別放入三個(gè)電磁線(xiàn)圈15中。按下第二船型開(kāi)關(guān)21后，MCU19開(kāi)始計(jì)時(shí)并將三個(gè)電磁線(xiàn)圈15斷電，斷電后的三個(gè)電磁線(xiàn)圈15將失去磁力，使得三個(gè)不同大小的鐵球分別落入三個(gè)收集杯4中。與此同時(shí)，三個(gè)鐵球?qū)⒎謩e觸發(fā)收集杯4內(nèi)的輕觸開(kāi)關(guān)17，使其將信號(hào)反饋至MCU19。此時(shí)MCU19截止計(jì)時(shí)并通過(guò)數(shù)碼管18顯示時(shí)間。取出鐵球后，可按下第四船型開(kāi)關(guān)23將計(jì)時(shí)清零。完成上述操作后，閉合第三船型開(kāi)關(guān)，三個(gè)電磁線(xiàn)圈15將依次斷電，并逐次完成對(duì)自由落體過(guò)程的計(jì)時(shí)，由此實(shí)現(xiàn)自由落體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一系列操作，見(jiàn)圖1～4。

4 新型裝置的特點(diǎn)及分析

（1）所述的一種學(xué)生用高中物理自由落體實(shí)驗(yàn)裝置，相比于傳統(tǒng)裝置，其具有：裝置收集杯（4）裝置配套三個(gè)，且每個(gè)收集杯（4）的內(nèi)側(cè)底部設(shè)置有輕觸開(kāi)關(guān)（17）。

（2）所述第一船型開(kāi)關(guān)（20）、第二船型開(kāi)關(guān)（21）、第三船型開(kāi)關(guān)（22）和第四船型開(kāi)關(guān)（23）依次安裝在底座（9）的同一側(cè)面上。

（3）所述立柱（11）上標(biāo)有刻度，且立柱（11）采用透明玻璃制成。

（4）所述升降桿（10）可在立柱（11）的內(nèi)部移動(dòng)，且升降桿（10）的移動(dòng)范圍為50～100cm。

5 結(jié)語(yǔ)

依前文所述，該新型自由落體實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置相比，在操作的靈活性、簡(jiǎn)易性及觀測(cè)的具象性、直觀性上均有一定的改進(jìn)與突破，對(duì)物理實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程需使用的自由落體實(shí)驗(yàn)具有較為現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 李雪瑩.中美高中物理教材的差異比較——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例[J].當(dāng)代教育評(píng)論，2016（3）：4.

[2] 劉新麗，呂濟(jì)峰.淺析高中物理新課程中“過(guò)程與方法”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)——以自由落體運(yùn)動(dòng)為例[J].教育實(shí)踐與研究：中學(xué)版，2008（11）：59-60.

[3] 張國(guó)憲.怎樣能把自由落體實(shí)驗(yàn)作好[J].物理通報(bào)，1953（11）：520-523.endprint