高考物理復(fù)習(xí)資料：自由落體運(yùn)動實(shí)驗(yàn)

1、6/6高考物理復(fù)習(xí)資料：自由落體運(yùn)動實(shí)驗(yàn)【自由落體運(yùn)動與重力加速度】西方有句諺語：“對運(yùn)動無知 ,也就對大自然無知。運(yùn)動是萬物的根本特性。在這個(gè)問題上 ,自古以來 ,出現(xiàn)過種種不同的看法 ,形成了形形色色的自然觀。在16世紀(jì)以前 ,亞里士多德的運(yùn)動理論居統(tǒng)治地位。他把萬物看成是由四種元素土、水、空氣及火組成 ,四種元素各有其自然位置 ,任何物體都有返回其自然位置而運(yùn)動的性質(zhì)。他把運(yùn)動分成自然運(yùn)動和強(qiáng)迫運(yùn)動：重物下落是自然運(yùn)動 ,天上星辰圍繞地心作圓周運(yùn)動 ,也是自然運(yùn)動;而要讓物體作強(qiáng)迫運(yùn)動 ,必需有推動者 ,即有施力者。力一旦去除 ,運(yùn)動即停止。既然重物下落是物體的自然屬性 ,物體越重 ,趨

2、向自然位置的傾向性也就越大 ,所以下落速度也越大。于是 ,從亞里士多德的教義出發(fā) ,就必然得到物體下落速度與物體重量成正比的結(jié)論。亞里士多德的理論根本上是錯誤的 ,但這一理論畢竟是從原始的直接經(jīng)驗(yàn)引伸而來 ,有一定的合理成分 ,在歷史上也起過進(jìn)步作用 ,再加上被宗教利用 ,所以直到16世紀(jì) ,仍被人們敬為圣賢之言 ,不可觸犯。正因?yàn)槿绱?,批駁亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動的錯誤理論 ,不僅是一個(gè)具體的運(yùn)動學(xué)問題 ,也是涉及自然哲學(xué)的根底問題 ,是從亞里士多德的精神枷鎖下解脫的一場思想革命的重要組成局部。伽利略在這場斗爭中作出了非常重要的奉獻(xiàn)。關(guān)于落體問題的討論在伽利略1589年當(dāng)比薩大學(xué)教授之前已經(jīng)

3、廣泛展開了 ,并且已有人作過實(shí)驗(yàn) ,得到的結(jié)果其實(shí)是盡人皆知的生活經(jīng)驗(yàn)。問題在于 ,沒有人敢于觸犯亞里士多德的教義。因?yàn)閬喞锸慷嗟碌睦碚撝傅氖锹潴w的自然運(yùn)動 ,即沒有媒質(zhì)作用的自由落體運(yùn)動 ,這是一種理想情況 ,在沒有真空泵的16世紀(jì)誰都沒有可能真正做這類實(shí)驗(yàn)。僅在重力作用下 ,物體由靜止開始豎直下落的運(yùn)動稱為自由落體運(yùn)動。由于受空氣阻力的影響 ,自然界中的落體都不是嚴(yán)格意義上的自由落體。只有在高度抽真空的試管內(nèi)才可觀察到真正的自由落體運(yùn)動一切物體(如鐵球與雞毛)以同樣的加速度運(yùn)動。這個(gè)加速度稱為重力加速度。重力加速度g是物理學(xué)中的一個(gè)重要參量。地球上各個(gè)地區(qū)的重力加速度 ,隨地球緯度和海拔高

4、度的變化而變化。一般說來 ,在赤道附近g的數(shù)值最小 ,緯度越高 ,越靠近南北兩極 ,那么g的數(shù)值越大。在地球外表附近g的最大值與最小值相差僅約1/300。準(zhǔn)確測定重力加速度g ,在理論、生產(chǎn)和科研方面都有著重要的意義。而研究g的分布情形對地球物理學(xué)這一領(lǐng)域尤為重要。利用專門儀器 ,仔細(xì)測繪小地區(qū)內(nèi)重力加速度的分布情況 ,還可對地下資源進(jìn)行勘查。對于測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?,可采用自由落體運(yùn)動方案。【方案設(shè)計(jì)】1.根據(jù)牛頓運(yùn)動定律 ,僅受重力作用的初速為零的“自由落體 ,如果它運(yùn)動的路程不很大 ,那么其運(yùn)動方程可用下式表示：(1)其中s是該自由落體運(yùn)動的路程 ,t是通過這段路程所用的時(shí)間。不難設(shè)想

5、 ,假設(shè)s取一系列數(shù)值 ,只需通過實(shí)驗(yàn)分別測出對應(yīng)的時(shí)間t ,即不難驗(yàn)證上述方程。然而在實(shí)際測量時(shí) ,很難測定該自由落體開始運(yùn)動的時(shí)刻 ,因此這種設(shè)想難以實(shí)現(xiàn)。如果在該自由落體從靜止開始運(yùn)動通過一段路程而到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)刻開始計(jì)時(shí) ,測出它繼續(xù)自由下落通過一段路程s所用的時(shí)間t ,根據(jù)公式(1)可得：(2)這就是初速不為零的自由落體運(yùn)動方程。其中是該自由落體通過A點(diǎn)時(shí)的速度。式(2)可寫作如下形式：(3)顯然y(t)是一個(gè)一元線性函數(shù)。假設(shè)s取一系列給定值 ,同樣通過實(shí)驗(yàn)分別測出對應(yīng)的t值 ,然后作y-t實(shí)驗(yàn)曲線即可驗(yàn)證上述方程 ,這一設(shè)想不難實(shí)現(xiàn)。2.利用雙光電門計(jì)時(shí)方式測量g如果用一個(gè)光電門測

6、量有兩個(gè)困難：一是h不容易測量準(zhǔn)確;二是電磁鐵有剩磁 ,t不易測量準(zhǔn)確。這兩點(diǎn)都會給實(shí)驗(yàn)帶來一定的測量誤差。為了解決這個(gè)問題采用雙光電門計(jì)時(shí)方式 ,可以有效的減小實(shí)驗(yàn)誤差。小球在豎直方向從0點(diǎn)開始自由下落 ,設(shè)它到達(dá)A點(diǎn)的速度為V1 ,從A點(diǎn)起 ,經(jīng)過時(shí)間t1后小球到達(dá)B點(diǎn)。令A(yù)、B兩點(diǎn)間的距離為h1 ,那么(4)假設(shè)保持上述條件不變 ,從A點(diǎn)起 ,經(jīng)過時(shí)間t2后 ,小球到達(dá)B點(diǎn) ,令A(yù)、B兩點(diǎn)間的距離為h2 ,那么(5)由(4)和(5)可以得出(6)利用上述方法測量 ,將原來難于精確測定的距離h1和h2轉(zhuǎn)化為測量其差值 ,即(h2-h1),該值等于第二個(gè)光電門在兩次實(shí)驗(yàn)中的上下移動距離 ,可

7、由第二個(gè)光電門在移動前后標(biāo)尺上的兩次讀數(shù)求得。而且解決了剩磁所引起的時(shí)間測量困難。測量結(jié)果比應(yīng)用一個(gè)光電門要精確的多。本實(shí)驗(yàn)對小球下落運(yùn)動的研究 ,僅限于低速情形 ,因此 ,空氣阻力可以忽略 ,可視其為自由落體運(yùn)動?！緝x器描述】自由落體實(shí)驗(yàn)儀器裝置主要由自由落體裝置和計(jì)時(shí)器兩大局部組成。自由落體裝置那么由支柱、電磁鐵、光電門和捕球器構(gòu)成(圖1)。其主體是一個(gè)有刻度尺的立柱 ,其底座上有調(diào)節(jié)螺絲可用來調(diào)豎直。立柱上端有一電磁鐵 ,可用來吸住小鋼球。電磁鐵斷電后 ,小鋼球即自由下落落入捕球器內(nèi)。立柱上裝有兩對可沿立柱上下移動的光電門。本實(shí)驗(yàn)用的光電門由一個(gè)小的紅外發(fā)光二極管和一個(gè)紅外接收二極管組成

8、 ,并與計(jì)時(shí)器相接。外發(fā)光二極管對準(zhǔn)紅外接收二極管 ,二極管前面有一個(gè)小孔可以減小紅外光束的橫截面。球通過第一個(gè)光電門時(shí)產(chǎn)生的光電信號觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí) ,通過第二個(gè)光電門時(shí)使之終止計(jì)時(shí) ,因此 ,計(jì)時(shí)器顯示的結(jié)果是兩次遮光之間的時(shí)間 ,亦即小球通過兩光電門之間的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)器采用“數(shù)字存儲毫秒計(jì) ,的核心是一個(gè)單片機(jī) ,用八個(gè)數(shù)碼管顯示有關(guān)結(jié)果。計(jì)時(shí)單位為“秒 ,用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示數(shù)值?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?證自由落體運(yùn)動方程;2定當(dāng)?shù)刂亓铀俣取！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.先用鉛垂線目測將支柱調(diào)豎直。計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)儀“轉(zhuǎn)換選單位“ms ,“功能選“S2計(jì)時(shí)2記錄通過兩個(gè)光電門的時(shí)間間隔 ,適當(dāng)拉開兩光電門的距離(

9、如相隔50cm) ,確保降落的鋼球能通過兩光電門。2.固定第一光電門于xA處(如置于支柱上30cm處) ,使第2光電門位于xB ,與第一光電門相隔約s=xB-xA=40cm(如置于70cm處) ,記錄小鋼球通過兩光電門的時(shí)間間隔 ,重復(fù)測5次。3.第一光電門保持不動 ,向下移動第二光電門約10cm ,重復(fù)測5次;繼續(xù)向下移動第2光電門 ,測6-8組不同距離的值?！究记绊氈?.計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)儀上 ,“電磁鐵指示燈亮可吸住小鋼球 ,按一次指示燈滅小球開始降落;有數(shù)據(jù)時(shí)按“功能清零。2.測量時(shí)一定要保證支架穩(wěn)定不晃動?！緮?shù)據(jù)記錄與結(jié)果】1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄第一光電門位置xA=_2.數(shù)據(jù)處理計(jì)算各組y=s/t的平均值和t的平均值 ,作圖像?？锤鳒y值點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)的測量誤差范圍內(nèi)是否分布在一直線上 ,用兩點(diǎn)式求出該直線的斜率并確定g值。將該實(shí)驗(yàn)曲線向左延長找出與y軸交點(diǎn)的坐標(biāo)確定v0?！舅伎碱}】1估算小球從1m高處下落至地面時(shí) ,受到的空氣阻力 ,并與重力數(shù)值比擬。2如果用體積相同而質(zhì)量不同的小木球來代替小鐵球 ,試問實(shí)驗(yàn)所得到的g值是否不同?您將怎樣