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