蔡天璐+劉利利
摘 要:物理是基于實驗的一門自然科學,其相關實驗儀器的精確性、操作的可行性對物理的探究過程及實驗結果至關重要。由于物理所涉范圍較廣,多數高校所儲實驗儀器不甚完備,加之課時設置及安排上的局限性,致使學生不能在課堂上完成一些相關的教學實驗?;趯ΜF實問題的思索及改進策略的考量,為了將實驗儀器簡易化、直觀化,設計并公開了一種新型物理自由落體實驗裝置。
關鍵詞:新型自由落體實驗裝置 簡易化 直觀化
中圖分類號:G71 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)07(c)-0247-02
本文所介紹的實驗裝置,是一種基于物理自由落體實驗的教學用具,便于學生對實驗現象的觀察,對自由落體規(guī)律的探究具有較強的針對性。自由落體運動是一種理想狀態(tài)下的物理模型,其運動特點及規(guī)律基于對理論化數據的處理與分析[1]。因而在實驗裝置的設計過程中應結合實際問題加以分析。在現有的自由落體實驗中,每次實驗都需重新投放條形物體或小球,且落體演示過程不夠直觀。本產品旨在簡化自由落體實驗的操作步驟,使實驗現象更為直觀,所得結論更具說服力。在完善相關實驗儀器中現存不足的同時,豐富了物理的教學課堂,激發(fā)了學生的求知欲,推動了與之相關的教學工作,在一定程度上提高了實驗與理論的結合度。
1 新型裝置改進的理論依據
由力學的基本理論可知:對于地球附近的一切物體,無論質量大小、形狀如何,都受到地球對其豎直向下的吸引力,我們稱之為重力。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動稱為自由落體運動。利用物理自由落體實驗裝置,以上述理論為基礎,綜合各項實驗依據展開研究。該裝置設置有電磁線圈,通電后電磁線圈吸附鐵球,將其斷電后鐵球掉落,實現自由落體。在此基礎上設置有數碼管,通過數碼管顯示鐵球的掉落時間,并借助刻度尺進行相關的附帶連接,同時實現對鐵球下落高度的讀數。諸多環(huán)節(jié)緊密相扣,形成了一個結構完備、形式獨特的實驗裝置。
2 新型裝置的研究過程
物理的發(fā)展重在科學實驗的創(chuàng)新[2]。通過對理論文獻的思考及相關實驗的探究,將電磁領域的知識巧妙地應用于自由落體實驗裝置的改進之中。并結合自由落體運動在實際操作中的現實問題,完成了對實驗設計的進一步修整。物理實驗講究化繁為簡、化曲為直,實現抽象問題具象化[3]。本項研究從實驗的直觀性出發(fā),對現有的自由落體實驗裝置進行了相關的總結與修繕,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,頂板設置通孔,頂板底側設置電磁線圈,將所述收集杯固定在底座的頂側面上,所述第一數碼管、第二數碼管和第三數碼管依次安裝在底座的同一側面上,立柱安裝在底座頂部的側面上,立柱的內部安裝升降桿。輕觸開關17采用樂清市日精電氣的12×12防水型,數碼管18采用方舟科技電子的三位數碼管,MCU19采用STM32F100ZCT6B型。第一船型開關20、第二船型開關21、第三船型開關22及第四船型開關23均采用星坤XKB的 01D1-2010019BB型。調整升降桿10在立柱11上的位置至合適的高度,通過定位器2和定位螺釘12將升降桿10固定,并閉合第一船型開關20,將該裝置與電源16接通。此時MCU19將三個電磁線圈15通電,可將三個大小不一的鐵球分別放入三個電磁線圈15中。按下第二船型開關21后,MCU19開始計時并將三個電磁線圈15斷電,斷電后的三個電磁線圈15將失去磁力,使得三個不同大小的鐵球分別落入三個收集杯4中。與此同時,三個鐵球將分別觸發(fā)收集杯4內的輕觸開關17,使其將信號反饋至MCU19。此時MCU19截止計時并通過數碼管18顯示時間。取出鐵球后,可按下第四船型開關23將計時清零。完成上述操作后,閉合第三船型開關,三個電磁線圈15將依次斷電,并逐次完成對自由落體過程的計時,由此實現自由落體實驗過程中的一系列操作,見圖1~4。
4 新型裝置的特點及分析
(1)所述的一種學生用高中物理自由落體實驗裝置,相比于傳統(tǒng)裝置,其具有:裝置收集杯(4)裝置配套三個,且每個收集杯(4)的內側底部設置有輕觸開關(17)。
(2)所述第一船型開關(20)、第二船型開關(21)、第三船型開關(22)和第四船型開關(23)依次安裝在底座(9)的同一側面上。
(3)所述立柱(11)上標有刻度,且立柱(11)采用透明玻璃制成。
(4)所述升降桿(10)可在立柱(11)的內部移動,且升降桿(10)的移動范圍為50~100cm。
5 結語
依前文所述,該新型自由落體實驗裝置與現有的實驗裝置相比,在操作的靈活性、簡易性及觀測的具象性、直觀性上均有一定的改進與突破,對物理實踐應用過程需使用的自由落體實驗具有較為現實的意義。
參考文獻
[1] 李雪瑩.中美高中物理教材的差異比較——以“自由落體運動”一節(jié)為例[J].當代教育評論,2016(3):4.
[2] 劉新麗,呂濟峰.淺析高中物理新課程中“過程與方法”目標的實現——以自由落體運動為例[J].教育實踐與研究:中學版,2008(11):59-60.
[3] 張國憲.怎樣能把自由落體實驗作好[J].物理通報,1953(11):520-523.endprint