“伽利略研究自由落体”实验方案创新设计

黄卫良

（乐余高级中学，江苏张家港215621）



“伽利略研究自由落体”实验方案创新设计

黄卫良

（乐余高级中学，江苏张家港215621）

摘 要：伽利略自由落体实验在课堂演示难度大且繁琐，为此对该实验进行了改进，采用廉价微型工业传感触发模块，配合改装的电子秒表，实现了小球在斜面上下滑过程的自动触发开表计时，以及指定位移自动分段计时，能在15min时间内完整重现伽利略的研究过程，并体验其研究思想.

关键词：自由落体；加速度；触发模块；电子秒表

伽利略研究自由落体运动实验在2002年被全美物理学家提名入选为“最美丽的十大经典物理实验”，它在文献［1］中单列一节，并被描述为“不仅确立了许多描述运动的基本概念，而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的科学方法……把实验和逻辑推理和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法……近代科学的大门从此打开了”.

教材中没有把伽利略自由落体实验设定为演示实验或探究实验，对应教参也没有提供参考实验方案.由于实验过程比较繁琐，实验难度比较大，以至于很少有物理教师愿意在课堂上重现该研究过程.

“伽利略研究自由落体运动”的研究过程如图1所示.不能让学生深刻领略大师的风采，实在是高中物理教学的缺憾！

图1 伽利略自由落体实验研究过程示意图

1 实验过程难度较大的原因

1.1 准确记录与位移相关的时间难度较大

虽然利用斜面冲淡了重力的影响，但是由于在教室演示，轨道长度有限，小球下滑得较快，例如用倾斜角为30°，长度为1m的斜面，实际小球下滑的总时间少于0.6s，图中经过几个设定位移的时间就更短了.这么短的时间，用手动秒表记录时间的误差较大，因为人的反应时间往往会超过0.1s.

1.2 在小球释放的瞬间进行同步计时难度较大

在长度约1m的斜面上下滑的总时间少于0.6s，因此要求确保小球释放瞬间实现同步计时，误差不能超过总时间的10%，即0.06s，否则就难于验证小球下滑是匀加速运动.要满足这一要求，同样难度较大.

1.3 实验过程繁琐，以至于用DIS传感器记录数据也非常耗时

由于本实验需要在斜面上释放小球，因此需要定制专门的小球轨道，而且倾角还要能够调节.在倾斜的小球轨道上布置DIS传感器相对比较困难.

实验要得到小球在斜面上的时间和位移的关系，就需要测量多组数据，即需要小球多次重复下滑记录经过不同位置的数据.另外还需要逐渐增大倾角，验证不同倾角的小球下滑也是匀加速运动，才能有说服力地合理外推.这就需要测量几十组时间和位移的关系数据.

2 实验方案

基于以上分析，要在课堂上有限的时间内完成该实验，需要针对以上难点设计实验方案.笔者设计思路如下：

1）自制倾角可调小球下滑轨道，整合所有检测装置，无需安装，即拿即用.

2）利用磁场触发传感模块，检测电磁铁释放动作，实现自动开表计时.

3）利用光电触发传感模块，检测小球是否通过指定位置，实现自动分段计时.

4）对电子秒表进行改装，引出开表控制线和分段计时控制线，配合控制模块，实现自动开表和分段计时.

5）1个倾角只要小球下滑1次就能获得多组数据，用时小于2min.完成全部实验过程不会超过15min.

设计方案原理框图如图2所示.

图2 方案设计原理框图

3 实验装置设计

3.1 整体结构及实验原理

整体结构如图3所示.用普通窗帘塑料轨道作为小球的倾斜轨道，把轨道安装在可以调节倾角的底座上，用卡销插入小孔的方式，可以方便地调节倾角为30°，50°，70°，90°.

图3 整体装置结构示意

对秒表进行改装，在秒表电路板上找出和“开表”、“分段计时”相关的焊点，焊接引线，连接到控制模块.

电磁铁断电瞬间失去磁性，小球开始下滑的同时，磁场触发传感模块把信号传送给控制模块，控制秒表自动开表开始计时.

小球经过特定的几个位置（位移分别为1倍、2倍、3倍、4倍），各个位置的光电触发传感模块把触发信号传送给控制模块，控制秒表自动开始分段计时.小球只要下滑1次就能得4组位移与时间的数据.

3.2 “小球释放同步计时”设计

图4所示是廉价的微型工业磁场触发模块.如果左端的干簧管检测到磁场，模块的输出脚就输出低电位信号；如果检测不到磁场，就输出高电位信号.

图4 磁场触发模块

图5中把磁场触发模块安装在电磁铁附近，当小球被电磁铁吸附静止时，电磁铁的磁场会触发模块，此时模块输出脚是低电位.当电磁铁断电释放小球瞬间，电磁铁的磁场瞬间消失，模块检测不到磁场，就输出高电位，该高电位信号传送到控制模块，用于控制秒表自动计时.

图5 同步开表装置

3.3 “设定位移自动分段计时”设计

图6所示是廉价的微型工业光电模块，是带处理电路的小型光电门.当发射端和接收端间有物体通过时，红外线被挡住，其输出脚为高电位信号；没有物体通过，就输出低电位信号.

图6 光电模块

用电烙铁把模块上的发射端和接收端拆下，并把它们固定在轨道指定位置的两端，再通过引线把发射端和接收端重新和模块相连，如图7所示.当小球下滑通过该位置时，就会被模块检测到，从而输出高电位信号.该信号传送给控制模块，用于控制秒表自动分段计时.

在轨道距离释放点20，40，60，80cm处，分别安装4个光电触发模块.小球只要下滑1次，就能自动进行4次分段计时，从而得到4组时间与位移的数据.

图7 把发射端、接收端、模块安装在轨道上

3.4 秒表控制功能设计

图8中的控制模块就是微型化的小型固态继电器控制模块.在其输入端输入高电位或低电位信号，就能控制继电器输出端触点断开或闭合.

拆开秒表外壳，取下电路板，就能发现和“开表键”、“分段计时键”所在位置对应的2组金属触点，如图8所示.

在这2组金属触点上，分别焊接2根细软的导线，引出到秒表外，再把秒表的外壳装好.

从开表触点引出的2根软导线，与控制模块1的继电器输出端相连.当控制模块接收到磁场触发模块的信号后，就能让“常开端”和“公共端”闭合，相当于按下了“开表键”，于是秒表计时.

图8 秒表控制功能设计

从分段计时触点引出的2根软导线，和控制模块2的继电器输出端相连.当控制模块接收到光电触发模块的信号后，就能让“常开端”和“公共端”闭合，相当于按下了“分段计时键”，于是秒表就开始分段计时了.

4 实验过程

接通电磁铁12V电源，接通2个触发模块和2个控制模块的5V电源，开启秒表处于待机状态，将1个直径为2cm的小球吸附在电磁铁上.

调节轨道倾角为30°，断开继电器的12V电源，在小球快速下滑过程中，秒表自动开表和分段计时.不到1s，就得到了4组时间和位移的数据.按秒表查询键，依次显示小球经过4个光电触发模块对应的时间.调节倾角为50°和70°，重复以上过程即可.

表1为实测的1组数据（倾角为30°）.数据比较理想，能清楚得出小球下滑过程中位移与时间的二次方成正比，误差小于10%.笔者分析误差主要来源是：小球是滚动下滑产生了转动动能，及控制模块的小型继电器有反应时间，该两项不能忽略.

表1 实验数据

参考文献：

［1］ 人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理1（必修）［M］.北京：人民教育出版社，2010：46－49.

［2］ 曾祥新，于海波.应用双帧数视频分析法探究“自由落体运动”的加速度［J］.物理实验，2015，35（9）：26－28，41.

［3］ 李燕秋，代伟，罗微，等.平抛运动演示仪的改进［J］.物理实验，2015，35（5）：19－22.

［4］ 杨国仁，王桂忠，栾晓宁.自由落体实验仪的改进［J］.物理实验，2010，30（6）：34－36.

［5］ 张步元.用光电门测自由落体加速度实验的改进［J］.物理实验，2010，30（12）：14－17.

［6］ 聂应才，邓睿平.改进的自由落体运动实验［J］.物理实验，2006，26（9）：24－25.

An creative design of the experiment of free falling body

HUANG Wei－liang
（Leyu Middle School，Zhangjiagang 215621，China）

Abstract：The traditional experiment of free falling body is difficult and complicated to demonstrate.So the experiment was improved by using low－cost mini－type trigger module and modified electronic stopwatch.When the ball was sliding on oblique plane，the stopwatch was automatically triggered.The whole experiment process could be accomplished within 15min.

Key words：free falling body；acceleration；trigger module；electronic stopwatch

作者简介：黄卫良（1972－），男，江苏张家港人，乐余高级中学高级教师，学士，从事中学物理教学工作.

收稿日期：2015－09－29；修改日期：2015－12－01

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005－4642（2016）03－0042－04

［责任编辑：尹冬梅］