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        利用傳感器測量重力加速度大小的實驗設(shè)計*

        2013-11-24 03:00:58劉茂軍杜金紅朱玉成
        物理教師 2013年9期
        關(guān)鍵詞:圖表測量實驗

        劉茂軍 杜金紅 朱玉成 肖 利

        (吉林師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 四平 136000)

        重力加速度是中學(xué)物理教學(xué)的重要概念,在中學(xué)階段比較準(zhǔn)確地測量重力加速度大小的實驗是單擺實驗,用到了轉(zhuǎn)換的方法.[1]但由于計時等原因,利用單擺實驗測量重力加速度亦存在誤差.[2]

        為此,筆者根據(jù)不同的實驗原理,利用PASCO傳感器來測量重力加速度,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,而且可以在實驗數(shù)據(jù)圖表中觀測實驗過程,取得了非常準(zhǔn)確的效果.

        1 運(yùn)用單擺實驗測量重力加速度

        1.1 實驗設(shè)計基本原理[3]

        將運(yùn)動傳感器正對擺錘擺動方向,用來測量擺錘的位置隨時間變化的曲線,保持單擺擺動角度小于5°.利用DataStudio軟件將測量的圖像進(jìn)行“正弦擬合”,測量出單擺周期,通過進(jìn)一步計算即可獲得重力加速度的大小.我們設(shè)計了V形雙線擺來確保擺錘在一個平面內(nèi)擺動,便于測量.實驗裝置原理圖如圖1.

        圖1

        1.2 實驗圖表示例及實驗結(jié)論

        (1)實驗圖表如圖2所示.通過“正弦擬合”直接得到周期大小為1.68s.

        圖2

        (2)實驗結(jié)論:實驗過程保持?jǐn)[長70cm不變,多次測量單擺周期平均值為1.68s,通過計算得到重力加速度的值為9.79m/s2.

        2 運(yùn)用落體法測量重力加速度

        2.1 實驗設(shè)計基本原理

        傳統(tǒng)的落體法是通過在物體下落過程中安裝2個光電門來測量重力加速度,[4]操作較為麻煩,且容易產(chǎn)生誤差.

        我們直接運(yùn)用運(yùn)動傳感器來測量做自由落體運(yùn)動物體(此實驗使用的是乒乓球)的速度,測量出“v-t”圖像,選取某一個自由落體運(yùn)動過程,利用PASCO傳感器自帶軟件DataStudio中的“線性擬合”工具即可測得速度的斜率,即為重力加速度的值.實驗裝置及原理圖如圖3所示.

        實驗時將運(yùn)動傳感器正面對著地面(或桌面),距離1m左右,點擊“開始”時釋放小球,運(yùn)動傳感器可以記錄小球連續(xù)做自由落體運(yùn)動的“v-t”曲線.

        圖3

        2.2 實驗圖表示例及實驗結(jié)論

        (1)實驗圖表如圖4所示.通過“線性擬合”直接測得重力加速度的值為9.79m/s2.

        圖4

        (2)實驗結(jié)論:通過實驗,可以準(zhǔn)確測量出“v-t”圖表.選取某一完整的自由落體運(yùn)動過程做“線性擬合”,如圖4中加粗所示,斜率即為重力加速度的值.通過多次測量,重力加速度的平均值為9.8m/s2.

        3 運(yùn)用光電門實驗測量重力加速度

        3.1 實驗設(shè)計基本原理

        利用PASCO傳感器自帶的光電門系統(tǒng),釋放一個塑料“條形柵欄”,上面有均勻分開的不透光黑條紋.當(dāng)通過光電門時,柵欄上每一個不透光條紋阻斷了光電門光波的傳播,并且從一個阻斷到另一個阻斷的時間變得越來越短,知道了2個不透光條紋的距離,DataStudio軟件會計算出一個條紋到另一個條紋的平均速度,平均速度和時間的斜率為下落物體的加速度,即重力加速度.[5]實驗裝置及原理圖如圖5所示.

        圖5

        3.2 實驗圖表示例及實驗結(jié)論

        (1)實驗圖表如圖6所示.選取某一個實驗圖表,通過“線性擬合”直接測得重力加速度的值為9.77m/s2.

        (2)實驗結(jié)論:通過多次實驗可以看到,“v-t”曲線為一條直線,而且多次測量的數(shù)據(jù)曲線基本是平行的,斜率即重力加速度,實驗平均值為9.8m/s2.

        4 結(jié)語

        通過對實驗圖表的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn),利用PASCO傳感器可以非常準(zhǔn)確地測量重力加速度的大小,且可以非常直觀地記錄整個實驗過程,便于學(xué)生理解實驗原理.

        PASCO傳感器是現(xiàn)代信息技術(shù)與中學(xué)物理實驗整合的成功范例,是開展中學(xué)物理實驗設(shè)計、實現(xiàn)物理實驗數(shù)字化的一個理想平臺.[6]

        圖6

        1 劉茂軍.中學(xué)物理實驗設(shè)計思想方法拾萃.物理教師,2012(1):17-18

        2 吉恒.單擺測量重力加速度實驗的誤差分析.物理教師,2010,31(9):19-20

        3 劉茂軍,肖利.動量定理的實驗設(shè)計與研究.中學(xué)物理,2012,30(2):42

        4 李繼紅,張清早.用落體法測重力加速度的實驗方案選擇.物理通報,2009(3):36-37

        5 肖利,劉茂軍等.探究物理實驗.吉林大學(xué)出版社,2008.25

        6 劉茂軍.基于傳感器的牛頓第二定律實驗設(shè)計與研究.中學(xué)物理教學(xué)參考,2012(11):46-48

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