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        自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

        2013-11-24 03:00:58安學(xué)立
        物理教師 2013年9期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        安學(xué)立

        (1.聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,山東 聊城 252059;2.山東省通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 聊城 252059)

        1 引言

        傳統(tǒng)的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方法有兩種,一是利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上直接記錄物體自由下落的高度和時(shí)間,并根據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù)計(jì)算出重力加速度;二是用自由落體實(shí)驗(yàn)儀,通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光電門(mén)之間的距離,并用數(shù)字毫秒計(jì)記錄小鋼球通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)所用的時(shí)間,并保持上光電門(mén)的位置不變,多次移動(dòng)下光電門(mén)的位置,進(jìn)而用作圖法求得重力加速度.以上兩種方法均存在不足之處.

        (1)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量時(shí),因打點(diǎn)計(jì)時(shí)器利用市電工作計(jì)時(shí),故當(dāng)市電頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí),將導(dǎo)致計(jì)時(shí)時(shí)間不準(zhǔn)確;再者為了使紙帶上的點(diǎn)清晰,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)時(shí)對(duì)紙帶有一定的阻力,影響紙帶運(yùn)動(dòng)的速度.

        (2)使用自由落體實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量時(shí),需要用兩個(gè)光電門(mén),并要多次移動(dòng)下光電門(mén)的位置,實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較繁瑣.

        為了克服以上缺點(diǎn),對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)驗(yàn)電路原理如圖1所示.

        2 實(shí)驗(yàn)原理

        圖1中5GLB為光電門(mén)的發(fā)射管,接+12V的直流電源;3DU5B為光電門(mén)接收管,一端接+12V電源,另一端經(jīng)過(guò)限流電阻RB接在三極管V的基極b.

        光電門(mén)之間為紙帶,在紙帶上,每隔一定距離(實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)各小孔間的距離可以是任意的)打一個(gè)小孔,并使這一系列小孔在同一豎直線上,以便紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)小孔都能對(duì)準(zhǔn)光電門(mén),如圖1所示.

        圖1中三極管V選用3DK6,作為開(kāi)關(guān)管,用以控制電子秒表的計(jì)時(shí);電子秒表選用超速達(dá)品牌,型號(hào)為PC9060,精度為0.001s,并具有“60道”記憶功能的秒表作為計(jì)時(shí)器.

        圖1

        為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí),把電子秒表拆開(kāi),用導(dǎo)線把秒表的“計(jì)時(shí)鍵”引出,接在圖1中三極管V的c,e之間.當(dāng)V飽和導(dǎo)通時(shí),ce之間的電阻很小,相當(dāng)于短路,也就相當(dāng)于按了一下電子秒表的“計(jì)時(shí)鍵”,秒表開(kāi)始計(jì)時(shí);以后,三極管V每飽和導(dǎo)通一次,秒表便計(jì)時(shí)一次,記錄下該時(shí)刻的時(shí)間,共可以記錄“60道”時(shí)間.三極管V飽和導(dǎo)通與否,受光電門(mén)的控制.

        實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)整光電門(mén)和紙帶的位置,保證紙帶上每一個(gè)小孔運(yùn)動(dòng)到光電門(mén)之間時(shí),光電門(mén)都不被遮光.然后讓紙帶和重物一起自由下落.

        當(dāng)紙帶剛開(kāi)始下落時(shí),因紙帶的起始段沒(méi)有小孔,光電門(mén)發(fā)射管5GLB發(fā)射的光線被紙帶遮住,則光電門(mén)接收管3DU5B截止,截止后接收管的電阻為無(wú)窮大,該電阻與偏置電阻R1分壓,使k點(diǎn)的對(duì)地電位約為0V,則三極管截止,ce間相當(dāng)于無(wú)窮大的電阻,電子秒表不動(dòng)作.

        當(dāng)紙帶運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)小孔A時(shí),則光電門(mén)的接收管3DU5B受到其發(fā)射管5GLB的照射而導(dǎo)通,導(dǎo)通后其電阻約為4kΩ,該電阻與R1分壓后,使k點(diǎn)的對(duì)地電位約為4V,該電位足以使三極管飽和導(dǎo)通,則ce間電阻很小,相當(dāng)于短路,也就相當(dāng)于按了一下秒表的“計(jì)時(shí)鍵”,秒表開(kāi)始計(jì)時(shí).

        同理,當(dāng)紙帶運(yùn)動(dòng)到第2個(gè)小孔B時(shí),三極管再次飽和導(dǎo)通,相當(dāng)于又按了一下秒表的“計(jì)時(shí)鍵”,則把該時(shí)刻的時(shí)間tB(從A到B的時(shí)間)記錄在秒表的“第1道”.

        依次類(lèi)推,秒表“第2道”記錄的是的是從A到C的時(shí)間tC,“第3道”記錄的是的是從A到D的時(shí)間tD…….

        3 重力加速度的計(jì)算

        根據(jù)秒表記錄的時(shí)間和紙帶上各孔間的距離,可以求出重力加速度.設(shè)A孔處的速度為vA,B孔處的速度為vB,AB間的距離為sAB,AC間的距離為sAC,如圖2所示.

        圖2

        若B孔處記錄的時(shí)間為tB(從A到B的時(shí)間),C孔處記錄的時(shí)間為tC(從A到C的時(shí)間),由勻變速運(yùn)動(dòng)的知識(shí)可得

        由(1)、(2)可求出重力加速度g為

        同理,也可以根據(jù)D,E,F(xiàn)等其他各孔記錄的時(shí)間,以及它們之間對(duì)應(yīng)的距離,求出重力加速度.

        4 實(shí)驗(yàn)中注意的問(wèn)題

        用此法測(cè)量時(shí),需注意以下問(wèn)題:

        (1)因?qū)嶒?yàn)用秒表的精度為0.001s,故相鄰小孔之間的距離要不能太?。ú恍∮?cm為宜),以保證測(cè)量時(shí)間的精確度.

        (2)各小孔要在同一豎直線上,以保證紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí),光電門(mén)能對(duì)準(zhǔn)每個(gè)孔.

        以上實(shí)驗(yàn)方法,消除了傳統(tǒng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)阻力對(duì)紙帶速度的影響,克服了市電頻率波動(dòng)對(duì)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性的影響.而且實(shí)驗(yàn)中僅使用一個(gè)光電門(mén),實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單.實(shí)驗(yàn)中用到的器件和電子秒表也是常見(jiàn)的.因此該裝置具有較高的實(shí)用性.

        1 程守洙,江之水.普通物理學(xué)3(第5版),北京:高等教育出版社,2001.75~77

        2 安學(xué)立,趙汝木,王崇光等.遮光法閃光照相實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速測(cè)定裝置.物理教學(xué),2004(9):25~26

        3 許國(guó)梁.中學(xué)物理教學(xué)法.北京:高等教育出版社,1993.

        4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版).北京:高等教育出版社,2003.

        5 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,2002.

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