物理综合性实验研究VIP

1、物理综合性实验研究 重力加速度的测定 学生 田耀伟 指导教师 安学民 摘 要 物理综合实验是以理论联系实际的教学方式，学习现代实验与测试及处理技术，强化学生对物理理论、物理原理、物理规律的应用，进一步培养学生综合实验素质,提高实验测试技术水平、科研能力和实验技能。本文以重力加速度测定为例来研究综合性实验。关键词 综合性实验 重力加速度 测定0引言物理学在人的科学素质培养中具有重要的地位，实验是物理学的基础，它反映了理工科实验的共性和普遍性问题,在人才科学素质培养中起着不可替代的重要作用。实验，不仅能提高学生的学习积极性，更重要的是通过实验可以培养学生科学的态度，培养学生观察、分析问题的能力，让

2、学生逐步了解科学的发展过程，培养学生学会合作、与人共事的能力，巩固已学过的知识，培养学生自主学习的能力以及掌握研究性学习的方法。20世纪中叶以来，以计算机信息科学技术、生命科学、空间科学、材料科学等为代表的新的科学技术革命，极大地加速了科学技术的发展和各学科之间的相互交叉和渗透，新的综合化趋势已成为科学发展的主流。因此，物理实验课程体系，教学内容和教学方法、手段必须由封闭型向开放型转变。大学物理实验作为大学生在进校后的第一门科学实验课程，不仅应让学生受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，更主要的是要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和

3、解决实际问题的能力，特别是与科学技术的发展相适应的综合能力，适应时代的发展，科技进步的创新能力。1物理综合性实验的重要性物理综合实验是以理论联系实际的教学方式，学习现代实验与测试及处理技术，强化学生对物理理论、物理原理、物理规律的应用，进一步培养学生综合实验素质、提高实验测试技术水平、科研能力、实验技能的一门高级实验技术课。通过对综合实验的学习，使学生掌握现代物理测试方法、测试技术及应用，计算机在实验中的应用，以及从事科研活动的基本程序和方法等方面的知识，同时使学生受到科学实验训练，培养良好的科学精神、科学素养、科学方法和实验能力，为今后的学习、研究和工作奠定良好的基础。我将通过对重力加速度的

4、测定这一实验来了解物理综合性实验。重力加速度是中学物理中一个非常重要的物理量，在高中物理教材中，重力加速度这一物理是在“自由落体运动”这一节中被引入的，但是没有对如何测量重力加速度等问题做过多介绍，本文将以此为课题，以理论联系实际的方式，学习现代实验与测试及处理技术。通过对综合实验的学习，使学生掌握现代物理测试方法、测试技术及应用，计算机在实验中的应用，以及从事科研活动的基本程序和方法等方面的知识，同时使学生受到科学实验训练，培养良好的科学精神、科学素养、科学方法和实验能力，为今后的学习、研究和工作奠定良好的基础。下面是对这个问题做一肤浅研究的具体实施情况。2重力加速度测定发展过程2.1古希腊

5、哲学家亚里士多德认为物体下落的快慢是由它们的重力决定1 在同一高度同时释放面积相等的一金属片和一张纸片，可以看到金属片比纸张下落得快。从这里可以得到结论：物体下落的快慢是由它们的重力决定的，物体越重，下落得越快。公元前4世纪古希腊哲学家亚里士多德就是这么认为的，由于他的名望，人们对他的这种观点深信不疑。两千年以后，一位年轻的物理学家伽利略对亚里士多德的观点提出了质疑，他在1638年写的两种新科学的对话中指出：假设把两个物体拴在一起，那么快的会由于被慢的拖着而减速，慢的会由于快的而加速取一块大石头，设它下落的速率为8，一块小石头，设它下落的速率为4，将它们拴在一起整个系统的下落速率应该小于8，但

6、是两块石头拴在一起要比以前那个速率为8的石头重，这样从重物比轻物下落的快的假设中推出了重物下落得更慢的结论，从而否定了流传两千年的落体运动的谬论。 他首先从由思想实验得出的一个佯谬入手，对亚里士多德的落体学说提出了反驳。2.2伽利略根据不同重力的物体几乎同时落地的事实提出假设。1 他是用单摆实验加以验证的，得出了自由落体的结论，并设计了测重力加速度的实验方法。伽利略认为应该通过实验作出检验 但是要直接测定下落物体速度的增量与下落的时间是不是成正比，既是否为恒量，在当时是十分困难的，于是伽利略转向了数学。他利用了如图所示的图解方法求出了从静止开始的匀加速运动的距离S与时间T的关系。图中AB表示时

7、间横线表示各时刻的速度，面积ABE表示所通过的距离。显然这个面积与矩形ABFG的面积相等，FB为末速度的一半，既平均速度。由此不难得出匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比，即 只要直接测定S和T行了。图1图1 但是竖直方向的自由落体下落的速度还是很快的，做定量的观测，特别是测得准确也是很不易的。于是，伽利略为了进一步“减缓”下落运动以得出精确的测量结果，他设计了“冲淡重力”的实验，即著名的“斜面实验”，从而完全证实了落体“所经过的各种距离总是同所用的时间的平方成正比”。为了把斜面实验的结论推广到竖直情况下的自由落体运动，伽利略提出了“等末速度假设”，即静止物体不论是沿竖直还是沿不同的斜面从同

8、一高度下落，到达末端是具有相同的速度，他用一个单摆实验检验了这个假设。根据这个假设，就可以得到沿斜面长度L（下滑）的加速度与斜面高度h（自由下落）的加速度g之间的关系。由 和 得 由 和 得斜面下滑的时间，t竖直下落所用的时间，v末速度有这个关系不难从斜面上的加速度求出自由下落的加速度，不过他没有给出加速度的精确数据，他只是根据这个关系得出了自由落体做匀加速运动的结论。3重力加速度的测定 3.1传统的测定方法测量重力加速度的实验是大学物理实验中比较经典的一个实验,所采用的测量方法也较多,例如称重法、打点计时法、单摆法等。:称重法利用,得出. b：单摆做简谐运动时，其周期为T， 因此测出单摆的摆

9、长和振动周期T，就可以求出当地的重力加速度的数值。2 实验器材：带孔小钢球一个，约1m长的线绳一条，铁架台、米尺、秒表、游标卡尺；众多实验方法的选择和比较,能很好地开阔学生们的视野,从而提高学生们学习大学物理课和大学物理实验课的兴趣,取得更好的教学效果。这里我们再介绍一种测量重力加速度的实验方法用光电门和数字计时器测重力加速度： 3.3.3.33.2物理综合性实验的测定方法 -用光电门和数字计时器测3 3.2.1 实验仪器: 自由落体仪（J2153-2型）、铁质小球（直径2.3cm）、物理实验数据采集仪（HPCI-1）光电门2个 、学生电源（J1202型或J12021型）、计算机、电磁铁、实验

10、数据采集系统3.2.2 实验原理:在重力作用下物体的下落运动是匀加速直线运动 小球自0点开始自由下落，当它到达光电门A点的速度为，从A点起，经过时间后到达光电门B点，令AB两点间的距离为，则有（1）式：若保持条件不变，从A点起经过时间后小球到达，令两点之间的距离为，则有（2）式 （1） （2） （1）式 ，（2）然后相减得 于是 （3） 在自由落体仪的支柱上端安放电磁释放落体装置，当电磁释放落体装置接通电源时，电磁铁产生吸力吸住钢球，切断电源时，钢球下落。支柱中部装有两个可以上下移动并定位的光电门，当钢球通过光电门时，遮断射向光敏管狭缝的光束，光敏管即产生一电脉冲信号，此信号可控制数据采集系统

11、的启、停，采集系统可记录小球通过两个光电门的时间。3.2.3.实验步骤1.调节测试仪支柱铅直。方法是：将重锤悬挂在钢管的上端，调节底角螺钉，同时上下移动光电门，使重锤始终处于光电管正中，以保证钢球下落过程中能遮光。2.接通数据采集仪并打开电源开关。按仪器要求分别将光电门1个和光电门2与数据采集仪的D和E两个插孔相连，使电磁释放落体装置与电机驱动插孔相连，打开数据采集仪的电源开关，然后打开数据采集系统。3.将上光电门对准标尺的10cm处，使下光电门与上光电门相距20cm，释放小球，记下小球经过两个光电门之间所用时间，重复3次。4.保持上光电门位置不变，依次使两个光电门相距40cm、60cm、80

12、cm、100cm，释放小球，记下各次所用时间t2、t3、t4、t5重复3次。5.按式（3）算出重力加速度的平均值g。3.2.4.实验数据 表 一 自由落体法测重力加速度路程 /cm 20.00 40.0060.0080.00100.00时间单位/ms/ms/ms/ms/ms次数 1116.4191.9252.3304.3351.12116.4192.2252.3304.4350.43116.3192.1252.4304.5350.5 平均116.367191.733252.333304.4350.67 序号1234平均值9.77639.69519.73079.67129.71833.2.5.实

13、验分析：1.测量结果和被测量真值之间总会存在或多或少的偏差，这种偏差就叫做测量值的误差。设被测量的真值为，测得值为N，则测量误差为.4 =9.7183 9.7997 = -0.0814 （太原重力加速度的真值见附录） 实验的相对误差： 56 = 2.误差存在于一切测量之中，而且贯穿测量过程的始终。每使用一种仪器，进行一次测量，都会产生误差，没有误差的测量结果是不存在的。根据误差的性质及产生的原因，可将误差分为系统误差、随机误差和过失误差三种。本实验的误差来源主要有系统误差和随机误差。1系统误差的来源有以下方面：56 （1）仪器误差这是由于仪器本身的缺陷，在调节底角时没有调平造成的。（2）理论误

14、差（方法误差）这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差。（3）个人误差这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差。2随机误差（偶然误差）例如观测时目的物对得不准，读数不准确，周围环境的偶然变化等因素的影响，难以确定某个因素产生的具体影响的大小。随机误差的存在使每次测量值偏大或偏小是不定的，但它并非毫无规律，它的规律性是在大量观测数据中才表现出来的统计规律。在多数物理实验中，偶然误差表现出如下的规律性：绝对值相等的正的和负的误差出现机会相同；绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多；误差不会超出一定

15、的范围。设n次测量值、的误差为、，真值为，则（）（）.（）+.+。将上式展开整理后，等式两边分别除以n，得出（+.+）（+.+）3过失误差由于实验者使用仪器的方法不正确实验方法不合理，粗心大意，过度疲劳记错数据等引起的。本实验中由于多次测量，不断的纠正仪器的使用方法，提高实验的精确度，也没有在过度疲劳的情况下做实验记录数据，所以本实验的过失误差是次要的。4结论 本实验应用了物理实验数据采集系统，它是由物理实验数据采集仪、传感器和应用软件组成。利用电脑做实验终端，通过接口电路、传感器和常规仪器共同完成物理量的测量，观察物理现象，探索物理规律。通过它可以完成一些常规仪器难以完成的实验，验证有关公式

16、、定律，提高测量的精度和实验效果。通过本实验我们可以比较精确的测量出本地的重力加速度，比以往的实验速度快，准确率高。利用计算机、光电门等现代的技术与测量系统，把学过的知识运用到实验中，有助于培养学生的应用能力，操作能力，思维能力；使学生掌握现代物理测试方法、测试技术及应用、计算机在实验中的应用，以及从事科研活动的基本程序和方法等方面的知识，同时使学生受到科学实验训练，培养良好的科学精神、科学素养、科学方法和实验能力，为今后的学习、研究和工作奠定良好的基础。5重力加速度的应用地球对表面物体具有吸引力，重力加速度是度量地球重力大小的物理量。按照万有引力定律，地球各处的重力加速度应该相等。但是由于地

17、球的自转和地球形状的不规则，造成各处的重力加速度有所差异，与海拔高度、纬度以及地壳成分、地幔深度密切相关。5.1重力预震 地球物理学研究中要求观测重力长期的细微的变化，即所谓g的长度；这种变化可能是由于地壳运动，地球的内部结构和形状的演变，太阳系中动力常数的长度以及引力常数G的变化等等。观测这些变化要求g值的计量不确定度达10-8至10-9量级。观测g值的变化可能对预报地震有密切的关系。据有关方面报道，七级地震相对应的g值变化约为0.110-5m/s2。目前，许多国家都在探索用g值的变化作临震预报。5.2重力探矿 各种岩石和矿物的密度(质量)是不同，根据万有引力定律，其引力也不相同。据此研究出

18、重力测量仪器，测量地面上各个部位的地球引力(即重力)，排除区域性引力(重力场)的影响，就可得出局部的重力差值，发现异常区，这一方法称做重力勘探。它就是利用岩石和矿物的密度与重力场值之间的内在联系来研究地下的地质构造。故根据在地面上或海上测定g的变化，就可以间接地了解地下密度与周围岩石不同的地质构造、矿体和岩体埋藏情况，圈定它们的位置。重力加速度的测量工作包括两点间重力加速度之差的（相对）测定和（绝对）重力加速度值的测定。常用的重力勘探仪器有重力仪、扭秤等。由于所观测到的重力加速度值不仅反映了地球物质密度分布不均匀，还与地球的形状、测点高度和地形不规则有关。重力选矿作为主要的选矿方法之一,具有运

19、行成本低、环境污染小、潜在适用面广等特点。近年来,随着材料技术和机械工业的进步,将高强度离心力场成功地引入选矿领域,取得一系列成果。首先是重介质旋流器,接着是选矿机、选矿机和选矿机. 7 参考文献：1 李艳平，申先甲. 物理学史教程M.北京：科学出版社，2003. 2 温诚忠等. 物理实验教程M.成都：西南交通大学出版社，2002 3 马黎君.大学物理实验M . 北京:中国建材工业出版社，2004 4 张兆奎等. 大学物理实验M. 上海:华东理工大学出版社,20005 江兴方等.物理实验M.北京:科学出版社,20056 杜义林等.大学实验物理教程M. 合肥: 中国科技大学出版社,2002 7

20、栾照辉.用阿特伍德机测量重力加速度J.大学物理实验. 2006.19(4) 17,188 徐志东，陈世涛.大学物理实验M 成都：西南交通大学出版社，2003. Physical Comprehensive Nature Experimental Study - Acceleration of Gravity Determination Tian Yaowei Instructor An XueminAbstract The physical synthesis experiment is by apply theory to reality the teaching way, the study modern experiment and the test and the processing technology, strengthens the student to the physical theory, the physical principle, the physical rule application, further trains the student to synthesize the