利用传感器测量重力加速度大小的实验设计＊

2013-11-24刘茂军杜金红朱玉成

物理教师 2013年9期

关键词：单摆实验设计中学物理

刘茂军杜金红朱玉成肖利

（吉林师范大学物理学院，吉林四平 136000）

重力加速度是中学物理教学的重要概念，在中学阶段比较准确地测量重力加速度大小的实验是单摆实验，用到了转换的方法.［1］但由于计时等原因，利用单摆实验测量重力加速度亦存在误差.［2］

为此，笔者根据不同的实验原理，利用PASCO传感器来测量重力加速度，数据准确，而且可以在实验数据图表中观测实验过程，取得了非常准确的效果.

1 运用单摆实验测量重力加速度

1.1 实验设计基本原理［3］

将运动传感器正对摆锤摆动方向，用来测量摆锤的位置随时间变化的曲线，保持单摆摆动角度小于5°.利用DataStudio软件将测量的图像进行“正弦拟合”，测量出单摆周期，通过进一步计算即可获得重力加速度的大小.我们设计了V形双线摆来确保摆锤在一个平面内摆动，便于测量.实验装置原理图如图1.

图1

1.2 实验图表示例及实验结论

（1）实验图表如图2所示.通过“正弦拟合”直接得到周期大小为1.68s.

图2

（2）实验结论：实验过程保持摆长70cm不变，多次测量单摆周期平均值为1.68s，通过计算得到重力加速度的值为9.79m／s2.

2 运用落体法测量重力加速度

2.1 实验设计基本原理

传统的落体法是通过在物体下落过程中安装2个光电门来测量重力加速度，［4］操作较为麻烦，且容易产生误差.

我们直接运用运动传感器来测量做自由落体运动物体（此实验使用的是乒乓球）的速度，测量出“v－t”图像，选取某一个自由落体运动过程，利用PASCO传感器自带软件DataStudio中的“线性拟合”工具即可测得速度的斜率，即为重力加速度的值.实验装置及原理图如图3所示.

实验时将运动传感器正面对着地面（或桌面），距离1m左右，点击“开始”时释放小球，运动传感器可以记录小球连续做自由落体运动的“v－t”曲线.

图3

2.2 实验图表示例及实验结论

（1）实验图表如图4所示.通过“线性拟合”直接测得重力加速度的值为9.79m／s2.

图4

（2）实验结论：通过实验，可以准确测量出“v－t”图表.选取某一完整的自由落体运动过程做“线性拟合”，如图4中加粗所示，斜率即为重力加速度的值.通过多次测量，重力加速度的平均值为9.8m／s2.

3 运用光电门实验测量重力加速度

3.1 实验设计基本原理

利用PASCO传感器自带的光电门系统，释放一个塑料“条形栅栏”，上面有均匀分开的不透光黑条纹.当通过光电门时，栅栏上每一个不透光条纹阻断了光电门光波的传播，并且从一个阻断到另一个阻断的时间变得越来越短，知道了2个不透光条纹的距离，DataStudio软件会计算出一个条纹到另一个条纹的平均速度，平均速度和时间的斜率为下落物体的加速度，即重力加速度.［5］实验装置及原理图如图5所示.