利用自由落體(條形物體)測定重力加速度,比體測量準(zhǔn)確.方便.配有數(shù)字毫秒計(jì),五位半數(shù)顯.

自由落體實(shí)驗(yàn)儀

1 概述

自由落體實(shí)驗(yàn)儀是基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器，利用自由落體實(shí)驗(yàn)儀可行定性觀測和定量研究物體在自由落體狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從而達(dá)到教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的目的。

MHY-14519 型為：主體度1.6m，鑄鐵腿三腳支架，底座穩(wěn)固，抗震動(dòng)好，利于實(shí)驗(yàn)室擺放操作。

從教學(xué)使用出發(fā)，DP-LG-1型為：主體度1.2m，便攜式三腳支架，底座輕巧，便于移動(dòng)，利于課堂演示教學(xué)。

以上兩種自由落體實(shí)驗(yàn)儀均可與J0201-G-2型計(jì)時(shí)器， J0201-CC存貯式計(jì)時(shí)器，J0201-CHJ存貯式數(shù)字毫秒計(jì)，J0416-2型多用大屏幕數(shù)字顯示測試儀配合使用，適用于中學(xué)行物理教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)。

本儀器還可以與J02015-2型簡易頻閃光源和照相機(jī)同步配合使用，用頻閃照像法研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

2 性能

2.1 儀器總 ： DP-LG-1型≥1.2m ；MHY-14519 型≥1.6m

2.2 實(shí)驗(yàn)有效度 ： DP-LG-1型≥1.0m ；xe77MHY-14519 型≥1.4m

2.3 電磁鐵電源 ： DC6V

2.4 鋼直徑 ： 18mm

2.5 g值實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差 ： ≤ 2％

3 結(jié)構(gòu)與點(diǎn)

3.1 見圖。儀器由帶有標(biāo)尺的鋁合金型材為主體，端裝有電磁鐵吸器，中間裝有兩個(gè)可意移動(dòng)的光電門光電傳感器，下端裝有接架網(wǎng)，立柱下端固定在可調(diào)節(jié)的三腳支架上。

3.2 鋼的起始位置由電磁鐵的固定支架端板的下端“ ”形的下邊沿作為位置針，能方便地調(diào)節(jié)確定鋼自由下落的起始刻度基準(zhǔn)。

3.3 立柱上端裝有電磁鐵吸器，當(dāng)電磁鐵線圈接通直6V電源時(shí)，電磁鐵吸住鋼，切斷電源時(shí)，鋼下落作自由落體運(yùn)動(dòng)。電磁鐵的支架上還裝有兩個(gè)接線柱，可以與頻閃光源的同步輸入開關(guān)及學(xué)生實(shí)驗(yàn)電源直6V相連接用于頻閃照相實(shí)驗(yàn)用。（注:原接電纜的接線端子可卸下不用）

3.4 兩個(gè)光電門由小型聚光電珠和光敏接收管組成。兩個(gè)光電門可以上下意移動(dòng)，在立柱上的位置由光電門支架的凹型槽底邊所對(duì)標(biāo)尺的刻度決定。

3.5 主體立柱固定在三腳支架上，利用三腳支架上的調(diào)節(jié)螺栓，配合重錘線可方便地調(diào)節(jié)立柱與地面的垂直度。

3.6 MHY-14519 型≥1.5m型的底座和三腳支架為鑄鐵腿，增加了儀器的穩(wěn)固性，提了儀器的抗震性能，有利于提實(shí)驗(yàn)度。鑄鐵式三腳支架是可拆卸的，便于運(yùn)輸和貯存。（見圖二）

DP-LG-1型≥1.5m型的三腳支架為便攜式，將儀器提起時(shí)它可以靠自重自動(dòng)收攏，便于搬動(dòng)和運(yùn)輸，實(shí)驗(yàn)時(shí)為了保持調(diào)好的垂直度，可以用儀器配備的架腿附件限位螺釘鎖住。

4 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

4.1 整機(jī)組裝：

（1）MHY-14519 型：將三個(gè)鑄鐵架腿用M6內(nèi)六角螺釘緊固在底盤上，（內(nèi)六角搬手在附件盒內(nèi)），三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘分別裝在架腿上（見圖二）。

（2）DP-LG-1型：將架腿附件調(diào)節(jié)螺釘裝入架腿底的M10螺孔中，以備后用。

（3）將電磁鐵吸器，兩個(gè)光電門及接架按圖所示用鎖緊螺釘固定在主體上，將四芯插頭插入計(jì)時(shí)器標(biāo)有“自由落體”的四芯插座上，接通J0201-G-2計(jì)時(shí)器電源，計(jì)時(shí)器顯示“0.00ms”，說明兩個(gè)光電門作正常。

4.2 將電磁鐵吸器，調(diào)節(jié)到刻度尺0點(diǎn)處，使鋼自由下落的起始位置為0cm。

4.3 調(diào)垂直度：將儀器所配的重錘懸掛在電磁鐵吸器的鐵芯中心孔上，將兩個(gè)光電門分別置于立柱的中、下端處，細(xì)心調(diào)節(jié)三腳支架上的調(diào)節(jié)螺栓，使重錘線處于兩個(gè)光電門的

正中。從主體正面觀察時(shí)重錘線應(yīng)與光電門中間的凹形槽處白線重合，從主體側(cè)面觀察重錘線應(yīng)與光電門兩側(cè)白線重合，即認(rèn)為重錘線正好處于光電門的中心處，儀器的垂直度調(diào)好后，將重錘線取下，就可以做實(shí)驗(yàn)了。

5 實(shí)驗(yàn)

以下實(shí)驗(yàn)均按選配J0201-G-2自由落體智能計(jì)時(shí)器為例。

5.1 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

（1）實(shí)驗(yàn)原理：初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)其公式

(1)

如果物體下落的時(shí)間取：t1:t2:t3=1:2:3，則下落的距離就會(huì)得出：h1:h2:h3=1:4:9。

（2）實(shí)驗(yàn)操作：儀器與計(jì)時(shí)器連接好，接通計(jì)時(shí)器電源，將計(jì)時(shí)器的電磁鐵開關(guān)撥到“吸”位置上，電磁鐵通電，將鋼吸住，（注意鋼應(yīng)吸在電磁鐵的中心處）。同步開關(guān)撥到“放”位置時(shí)，切斷電磁鐵電源，鋼自由下落，計(jì)時(shí)器同步計(jì)時(shí)，當(dāng)鋼通過兩個(gè)光電門后計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，并循環(huán)顯示出鋼下落的時(shí)間t。

實(shí)驗(yàn)中，依次移動(dòng)光電門，使光電門的中凹形槽底邊對(duì)準(zhǔn)立柱標(biāo)尺的10cm，40cm，90cm處，分別測出下落的時(shí)間t1、t2、t3，每個(gè)時(shí)間測五次取平均值。如果可以得到h1:h2:h3=1:4:9對(duì)應(yīng)的下落時(shí)間t1:t2:t3=1:2:3的關(guān)系，驗(yàn)證了自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

5.2 實(shí)驗(yàn)二：測量重力加速度g值。

（1） 實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)公式(1)h=gt2/2可以得到

(2)

只要測出物體下落的距離h和對(duì)應(yīng)的下落時(shí)間t，就可以計(jì)算出重力加速度g值來。

（2）實(shí)驗(yàn)操作：將光電門移至標(biāo)尺100cm處，實(shí)驗(yàn)操作過程同實(shí)驗(yàn)，分別測量五次，取平均值，將所測量的數(shù)據(jù)代入公式(2)，即可求出重力加速度g值。

這種實(shí)驗(yàn)方法簡單、方便，但測得的重力加速度g值般誤差較大。原因：

a). h的測量有困難，h的起始點(diǎn)為鋼的直徑下沿，但當(dāng)鋼通過光電門時(shí)，不定正好是鋼的直徑下沿，很可能偏離些，帶來定的△h誤差。

b). 由于電磁鐵斷電的瞬間，電磁鐵有剩磁，鋼滯后下落，這就成了時(shí)間測量上的誤差。

5.3 實(shí)驗(yàn)三：初速度不為零且相等的自由落體實(shí)驗(yàn)法，測量g值。

（1）實(shí)驗(yàn)原理：為了減少電磁鐵剩磁和h測量的誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)度帶來的影響，采用初速度不為零的自由落體運(yùn)動(dòng)，其公式h=V0t+gt2/2，見圖三。將兩個(gè)光電門分別置于A,B兩點(diǎn)處，鋼從零點(diǎn)開始自由下落，設(shè)到達(dá)A點(diǎn)的速度為V0，再經(jīng)過時(shí)間t1后，鋼到達(dá)B點(diǎn)，AB兩點(diǎn)間的距離為h1，則有：

h1=V0t1+gt12/2 (3)

將光電門B下移段距離至B'點(diǎn)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。設(shè)鋼從A點(diǎn)經(jīng)過時(shí)間t2到達(dá)B'點(diǎn)，AB'兩點(diǎn)間距離為h2，則有：

h1=V0t2+gt22/2 (4)

圖三

將式(4)×t1，式(3)×t2，兩式相減得：

h2t1-h1t2=g(t22t1-t12t2)/2

g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1) (5)

實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差計(jì)算公式為：δ＝│g標(biāo)-g測│/g標(biāo)x100％…………… (6)

重力加速度的理論值g=980.094cm/s2

這樣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)二的多，與標(biāo)準(zhǔn)重力加速度的相對(duì)誤差可做到≤1％。

5.3.2 實(shí)驗(yàn)操作

儀器與計(jì)時(shí)器連接好，調(diào)整好，將二個(gè)光電門分別移到40cm，80cm標(biāo)尺刻度處，接通計(jì)時(shí)器電源，將同步開關(guān)撥到“吸”位置上，電磁鐵通電，將鋼吸住，按清零鍵使屏幕顯示“0.00”。將同步開關(guān)撥到“放”位置上，鋼自由下落通過兩個(gè)光電門，計(jì)時(shí)器自動(dòng)顯示出鋼通過兩個(gè)光電門40cm～80cm的的間隔時(shí)間t2-t1為(5)式中的t1，重復(fù)做五次實(shí)驗(yàn)，取其平均值。再將下端處的光電門移到100cm處，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，取t2平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(5)，可計(jì)算出g的測量值，代入公式(6)求出相對(duì)誤差。

5.4 實(shí)驗(yàn)四：

與頻閃光源，照相機(jī)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)電源和黑布幕配合做自由落體運(yùn)動(dòng)的頻閃照像，具體的實(shí)驗(yàn)方法可參照J(rèn)02015-2簡易頻閃光源的使用說明書。將沖洗好的底片用投影儀投射到墻上，用直尺（或盒尺）分別測量出鋼在各段相等的時(shí)間內(nèi)下落的位移，h1、h2、h3…hn，如果能驗(yàn)證在各段相等的時(shí)間內(nèi)位移的增加量△h=h2-h1=h3-h2=……=hn-hn-1都相等，則可判斷、驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。并且從影像上可以直觀形象地觀察到鋼自由下落的運(yùn)動(dòng)軌跡。

6 注意事項(xiàng)

6.1 嚴(yán)禁帶電行光電門接口的插、拔操作，以免成儀器損壞。

6.2 電磁鐵吸器電源的+（紅色接線柱）、-（黑色），不能反接，以免成儀器損壞。

6.3 作自由落體實(shí)驗(yàn)的度般應(yīng)>0.1m。因?yàn)椋仍叫缀纬叽绲恼`差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響越大。