高考物理復習資料：自由落體運動實驗

1、6/6高考物理復習資料：自由落體運動實驗【自由落體運動與重力加速度】西方有句諺語：“對運動無知 ,也就對大自然無知。運動是萬物的根本特性。在這個問題上 ,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世紀以前 ,亞里士多德的運動理論居統(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動的性質。他把運動分成自然運動和強迫運動：重物下落是自然運動 ,天上星辰圍繞地心作圓周運動 ,也是自然運動;而要讓物體作強迫運動 ,必需有推動者 ,即有施力者。力一旦去除 ,運動即停止。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驗引伸而來 ,有一定的合理成分 ,在歷史上也起過進步作用 ,再加上被宗教利用 ,所以直到16世紀 ,仍被人們敬為圣賢之言 ,不可觸犯。正因為如此 ,批駁亞里士多德關于落體運動的錯誤理論 ,不僅是一個具體的運動學問題 ,也是涉及自然哲學的根底問題 ,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。關于落體問題的討論在伽利略1589年當比薩大學教授之前已經

3、廣泛展開了 ,并且已有人作過實驗 ,得到的結果其實是盡人皆知的生活經驗。問題在于 ,沒有人敢于觸犯亞里士多德的教義。因為亞里士多德的理論指的是落體的自然運動 ,即沒有媒質作用的自由落體運動 ,這是一種理想情況 ,在沒有真空泵的16世紀誰都沒有可能真正做這類實驗。僅在重力作用下 ,物體由靜止開始豎直下落的運動稱為自由落體運動。由于受空氣阻力的影響 ,自然界中的落體都不是嚴格意義上的自由落體。只有在高度抽真空的試管內才可觀察到真正的自由落體運動一切物體(如鐵球與雞毛)以同樣的加速度運動。這個加速度稱為重力加速度。重力加速度g是物理學中的一個重要參量。地球上各個地區(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。準確測定重力加速度g ,在理論、生產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這一領域尤為重要。利用專門儀器 ,仔細測繪小地區(qū)內重力加速度的分布情況 ,還可對地下資源進行勘查。對于測量當?shù)氐闹亓铀俣?,可采用自由落體運動方案?！痉桨冈O計】1.根據(jù)牛頓運動定律 ,僅受重力作用的初速為零的“自由落體 ,如果它運動的路程不很大 ,那么其運動方程可用下式表示：(1)其中s是該自由落體運動的路程 ,t是通過這段路程所用的時間。不難設想

5、 ,假設s取一系列數(shù)值 ,只需通過實驗分別測出對應的時間t ,即不難驗證上述方程。然而在實際測量時 ,很難測定該自由落體開始運動的時刻 ,因此這種設想難以實現(xiàn)。如果在該自由落體從靜止開始運動通過一段路程而到達A點的時刻開始計時 ,測出它繼續(xù)自由下落通過一段路程s所用的時間t ,根據(jù)公式(1)可得：(2)這就是初速不為零的自由落體運動方程。其中是該自由落體通過A點時的速度。式(2)可寫作如下形式：(3)顯然y(t)是一個一元線性函數(shù)。假設s取一系列給定值 ,同樣通過實驗分別測出對應的t值 ,然后作y-t實驗曲線即可驗證上述方程 ,這一設想不難實現(xiàn)。2.利用雙光電門計時方式測量g如果用一個光電門測

6、量有兩個困難：一是h不容易測量準確;二是電磁鐵有剩磁 ,t不易測量準確。這兩點都會給實驗帶來一定的測量誤差。為了解決這個問題采用雙光電門計時方式 ,可以有效的減小實驗誤差。小球在豎直方向從0點開始自由下落 ,設它到達A點的速度為V1 ,從A點起 ,經過時間t1后小球到達B點。令A、B兩點間的距離為h1 ,那么(4)假設保持上述條件不變 ,從A點起 ,經過時間t2后 ,小球到達B點 ,令A、B兩點間的距離為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轉化為測量其差值 ,即(h2-h1),該值等于第二個光電門在兩次實驗中的上下移動距離 ,可

7、由第二個光電門在移動前后標尺上的兩次讀數(shù)求得。而且解決了剩磁所引起的時間測量困難。測量結果比應用一個光電門要精確的多。本實驗對小球下落運動的研究 ,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動?！緝x器描述】自由落體實驗儀器裝置主要由自由落體裝置和計時器兩大局部組成。自由落體裝置那么由支柱、電磁鐵、光電門和捕球器構成(圖1)。其主體是一個有刻度尺的立柱 ,其底座上有調節(jié)螺絲可用來調豎直。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。立柱上裝有兩對可沿立柱上下移動的光電門。本實驗用的光電門由一個小的紅外發(fā)光二極管和一個紅外接收二極管組成

8、 ,并與計時器相接。外發(fā)光二極管對準紅外接收二極管 ,二極管前面有一個小孔可以減小紅外光束的橫截面。球通過第一個光電門時產生的光電信號觸發(fā)計時器開始計時 ,通過第二個光電門時使之終止計時 ,因此 ,計時器顯示的結果是兩次遮光之間的時間 ,亦即小球通過兩光電門之間的時間。本實驗計時器采用“數(shù)字存儲毫秒計 ,的核心是一個單片機 ,用八個數(shù)碼管顯示有關結果。計時單位為“秒 ,用科學計數(shù)法表示數(shù)值。【實驗目的】1證自由落體運動方程;2定當?shù)刂亓铀俣??！緦嶒瀮热荨?.先用鉛垂線目測將支柱調豎直。計時計數(shù)儀“轉換選單位“ms ,“功能選“S2計時2記錄通過兩個光電門的時間間隔 ,適當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間間隔 ,重復測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?.計時計數(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)時按“功能清零。2.測量時一定要保證支架穩(wěn)定不晃動。【數(shù)據(jù)記錄與結果】1.實驗數(shù)據(jù)記錄第一光電門位置xA=_2.數(shù)據(jù)處理計算各組y=s/t的平均值和t的平均值 ,作圖像?？锤鳒y值點在本實驗的測量誤差范圍內是否分布在一直線上 ,用兩點式求出該直線的斜率并確定g值。將該實驗曲線向左延長找出與y軸交點的坐標確定v0。【思考題】1估算小球從1m高處下落至地面時 ,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量不同的小木球來代替小鐵球 ,試問實驗所得到的g值是否不同?您將怎樣