摘要：本文利用自由落体仪、双光电门、毫秒计时器来获取实验数据，取代了中学阶段用打点法的测量。通过定量研究自由落体运动的规律，从而归纳出用自由落体仪测重力加速度时光电门放在何位置时，测量结果准确，填补了自由落体仪测量重力加速度确定的位置的空白。
关键词：自由落体；重力加速度；光电门
一、引言
物理实验，尤其是普通物理实验的目的是为了增加学生的感性认识，从而加强学生对物理规律的进一步理解，并能将物理知识和实验技术应用到实际中。对于理论课而言，实验课是学生更感兴趣的课程，学生发挥自己的主观能动性，设计合理的实验来验证数据。
本文在做自由落体重力加速度实验时，采用的是用电磁铁吸合钢球，断电时钢球释放做自由落体运动。钢球下落时经过两个光电门，通过毫秒计时器记录其时间，并测出两光电门间的距离，根据测量的时间和距离来计算自由落体重力加速度，并确定了光电门放在何位置时，测量结果准确。
二、仪器的结构
仪器的主体是铝合金型材，主体正面镶嵌标尺，用于测量高度h。主体上端装有电磁铁的吸球器，它的支架下端沿作为钢球下落的起始位置指针，支架上还装有两个接线柱，用来与频闪光源的同步输出开关和实验电源DC6V相连接。
实验前的准备
二、 
2.当地重力加速度g值的测量
一般方法是将电磁铁和光电门固定在铁架台上，光电门与数字毫秒计时器相接，如图1所示，当切断电磁铁的电源时，小球开始从O点自由下落，同时计时器开始计时(同一电键控制)。当小球通过A点时，遮住光电门的光源，计时器结束计时，得到自由下落时t,测出OA的距离h，由,得由此计算出来g值。但是，在实际操作中存在较大的误差：第一，光电门中的光源是小灯泡，非线性光源，那么小球在何处开始计时遮光？光电门位置的刻线与遮光位置不一定在同一水平面上，对测h有直接影响；第二，断电后的电磁铁有剩磁，小球不是立即下落，而是有滞后，t较真实值偏大。
为了避免剩磁给实验带来的误差，用初速度不为零的匀加速直线运动位移公式。用双光电门计时方法进行实验如下图：
(2)实验前的准备工作，计时器功能选择在“g”档，光电门移至标尺10.00cm处(光电门不用，移至标尺下端)，计时器同步开关拨至“6V”处，电磁铁得电，将钢球吸附在铁芯下端，计时器清零。
(3)将同步开关拨到“同步”处，电磁铁断电，钢球自由下落，计时器同时开始计时，钢球通过光电门后，计时器自动停止计时，并自动测出下落时间。
(4)将光电门依次移至标尺的10.00cm、11.00cm…… 69.00cm，每个位置间隔为1cm，按上述实验方法分别测出自由下落的时间……。
对这些数值进行评估：北京地区的重力加速度公认值是9.8012m/s,由于球下落过程中受到空气阻力，实验值小于公认值是合理的。但有学生感到差的太多，猜测可能另有原因导致测出的t值总是大于真实下落的时间，或许问题出在电磁铁上，发现通电的电磁铁切断电流后，铁心的磁性不会立即彻底消失，这种剩磁现象就会在实验中使钢球下落与断电不同步而是稍微滞后。将实验数据代入公式可以得出，在钢球与距离为64.00cm时，所测的g值准确，接近北京地区重力加速度公认值。
4.确定放在何位置时所测量的g值准确
(1)将两个光电门分别置于A、B两处，钢球从零点开始自由下落，设到达A点处的速度为。再经过后，钢球到达B点，设AB两点的距离为，则有： ⑥
将光电门下移，重复上述实验，设钢球从A点经过时间后到达B点，设AB两点的距离为，则有： ⑦
另外小球通过A、A时，其速度公式为： ⑧
将公式⑧分别代入⑥、⑦式，就可以求出当地的重力加速度g值。
(2)实验前的准备，计时器功能选择在“g”挡，光电门移到10.00cm处(光电门不用，移至标尺的下端)。计时器同步开关拨至“6V”处，电磁铁得电，将钢球吸附在铁芯下端，计时器清零。
(3)将同步开关拨到“同步”处，电磁铁断电，钢球自由下落，计时器同步开始计时，钢球通过光电门后，计时器自动停止计时，并自动测出钢球下落时间。
(4)将光电门依次移至标尺10.00cm、11.00cm、……69.00cm处，按上述实验方法分别测出自由下落的时间……。
从上述的实验中可以得出：当两个光电门分别从（10.00cm，100.00cm）到（69.00cm，100.00cm）过程中，求得的重力加速度的平均值为9.902 m/s；当两个光电门分别从（10.00cm，120.00cm）到（69.00cm，120.00cm）过程中，求得的重力加速度的平均值为9.867 m/s；当两个光电门分别从（10.00cm，140.00cm）到（69.00cm，140.00cm）过程中，求得的重力加速度的平均值为9.804m/s。所以在两个光电门分别从（10.00cm，140.00cm）到（69.00cm，140.00cm）的位置时测得的重力加速度更为接近准确值，并且当G在10.00cm和G在53.00cm处时，所测的重力加速度的平均值为9.801m/s。
五、总结
综上所述，如果在普通物理实验中适当地改进实验方法，不仅能使学生更好地掌握实验的基本技能，提高实验精度和实验的直观性，极大地提高学生实验的兴趣，更重要的是使学生亲身体会到：虽然仪器不变，但由于方法不同可以他提高实验数值的精确度。通过对实验的分析与改进，以及使用毫秒计时器测重力加速度，测量精度大大提高，特别在做初速度为零时的实验，误差降到0.26%，与原来相比实验效果相当满意。
参考文献：
[1]陈毓芳，邹延肃.物理学史简明教程[M].北京: 北京师范大学出版社，1986.
[2]赵凯华，罗蔚茵.力学[M].北京: 高等教育出版社，1995.
[3]沈克琦.物理实验[M].北京:北京市高级中学出版社，2001.
(作者单位：①山西省忻州市岢岚第四中学校 036300；②山西省忻州市岢岚县第一中学校 036300)
论文作者:①张瑞芬, ②许树勋
论文发表刊物:《中学课程辅导●教学研究》2018年6月上
论文发表时间:2018/10/26
标签：电门论文; 重力加速度论文; 计时器论文; 下落论文; 电磁铁论文; 钢球论文; 自由落体论文; 《中学课程辅导●教学研究》2018年6月上论文;