新型自由落体实验装置改进研究

蔡天璐+刘利利

摘 要：物理是基于实验的一门自然科学，其相关实验仪器的精确性、操作的可行性对物理的探究过程及实验结果至关重要。由于物理所涉范围较广，多数高校所储实验仪器不甚完备，加之课时设置及安排上的局限性，致使学生不能在课堂上完成一些相关的教学实验。基于对现实问题的思索及改进策略的考量，为了将实验仪器简易化、直观化，设计并公开了一种新型物理自由落体实验装置。

关键词：新型自由落体实验装置 简易化 直观化

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（c）-0247-02

本文所介绍的实验装置，是一种基于物理自由落体实验的教学用具，便于学生对实验现象的观察，对自由落体规律的探究具有较强的针对性。自由落体运动是一种理想状态下的物理模型，其运动特点及规律基于对理论化数据的处理与分析[1]。因而在实验装置的设计过程中应结合实际问题加以分析。在现有的自由落体实验中，每次实验都需重新投放条形物体或小球，且落体演示过程不够直观。本产品旨在简化自由落体实验的操作步骤，使实验现象更为直观，所得结论更具说服力。在完善相关实验仪器中现存不足的同时，丰富了物理的教学课堂，激发了学生的求知欲，推动了与之相关的教学工作，在一定程度上提高了实验与理论的结合度。

1 新型装置改进的理论依据

由力学的基本理论可知：对于地球附近的一切物体，无论质量大小、形状如何，都受到地球对其竖直向下的吸引力，我们称之为重力。在物理上将物体只在重力的作用下，做初速度为零的竖直向下运动称为自由落体运动。利用物理自由落体实验装置，以上述理论为基础，综合各项实验依据展开研究。该装置设置有电磁线圈，通电后电磁线圈吸附铁球，将其断电后铁球掉落，实现自由落体。在此基础上设置有数码管，通过数码管显示铁球的掉落时间，并借助刻度尺进行相关的附带连接，同时实现对铁球下落高度的读数。诸多环节紧密相扣，形成了一个结构完备、形式独特的实验装置。

2 新型装置的研究过程

物理的发展重在科学实验的创新[2]。通过对理论文献的思考及相关实验的探究，将电磁领域的知识巧妙地应用于自由落体实验装置的改进之中。并结合自由落体运动在实际操作中的现实问题，完成了对实验设计的进一步修整。物理实验讲究化繁为简、化曲为直，实现抽象问题具象化[3]。本项研究从实验的直观性出发，对现有的自由落体实验装置进行了相关的总结与修缮，最终促成了此装置的诞生。

3 新型装置操作的具体步骤

该装置中，所述固定螺栓安装在顶板的螺纹孔上，所述定位器安装在升降杆上，在装置的定位器上安装定位螺钉，顶板设置通孔，顶板底侧设置电磁线圈，将所述收集杯固定在底座的顶侧面上，所述第一数码管、第二数码管和第三数码管依次安装在底座的同一侧面上，立柱安装在底座顶部的侧面上，立柱的内部安装升降杆。轻触开关17采用乐清市日精电气的12×12防水型，数码管18采用方舟科技电子的三位数码管，MCU19采用STM32F100ZCT6B型。第一船型开关20、第二船型开关21、第三船型开关22及第四船型开关23均采用星坤XKB的 01D1-2010019BB型。调整升降杆10在立柱11上的位置至合适的高度，通过定位器2和定位螺钉12将升降杆10固定，并闭合第一船型开关20，将该装置与电源16接通。此时MCU19将三个电磁线圈15通电，可将三个大小不一的铁球分别放入三个电磁线圈15中。按下第二船型开关21后，MCU19开始计时并将三个电磁线圈15断电，断电后的三个电磁线圈15将失去磁力，使得三个不同大小的铁球分别落入三个收集杯4中。与此同时，三个铁球将分别触发收集杯4内的轻触开关17，使其将信号反馈至MCU19。此时MCU19截止计时并通过数码管18显示时间。取出铁球后，可按下第四船型开关23将计时清零。完成上述操作后，闭合第三船型开关，三个电磁线圈15将依次断电，并逐次完成对自由落体过程的计时，由此实现自由落体实验过程中的一系列操作，见图1～4。

4 新型装置的特点及分析

（1）所述的一种学生用高中物理自由落体实验装置，相比于传统装置，其具有：装置收集杯（4）装置配套三个，且每个收集杯（4）的内侧底部设置有轻触开关（17）。

（2）所述第一船型开关（20）、第二船型开关（21）、第三船型开关（22）和第四船型开关（23）依次安装在底座（9）的同一侧面上。

（3）所述立柱（11）上标有刻度，且立柱（11）采用透明玻璃制成。

（4）所述升降杆（10）可在立柱（11）的内部移动，且升降杆（10）的移动范围为50～100cm。

5 结语

依前文所述，该新型自由落体实验装置与现有的实验装置相比，在操作的靈活性、简易性及观测的具象性、直观性上均有一定的改进与突破，对物理实践应用过程需使用的自由落体实验具有较为现实的意义。

参考文献

[1] 李雪莹.中美高中物理教材的差异比较——以“自由落体运动”一节为例[J].当代教育评论，2016（3）：4.

[2] 刘新丽，吕济峰.浅析高中物理新课程中“过程与方法”目标的实现——以自由落体运动为例[J].教育实践与研究：中学版，2008（11）：59-60.

[3] 张国宪.怎样能把自由落体实验作好[J].物理通报，1953（11）：520-523.endprint