利用数字化实验系统测量重力加速度

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物理学是一门以实验为基础的学科。在信息技术迅速发展的今天,信息技术与物理实验教学的整合显得尤为重要。笔者在进行“基础物理实验的分层次教学教改”实验中,积极鼓励学生采用不同的实验方法完成同一实验,有的学生采用“数字化信息系统(Digital Information System,简称DIS实验室)”,完成单摆测重力加速度的实验。通过本次实验,学生不仅掌握了先进实验设备的使用方法,而且深刻体会到先进科学技术在基础实验研究中的优势地位。

众所周知,利用单摆可以准确地测定各地的重力加速度。根据,有,只需测出摆长l和周期T,便可求出重力加速度。为了减小测量误差,就必须减小摆长l和周期T这两个测量量的误差;同时需要多次测量重力加速度取平均值。如用传统的实验仪器和方法,不太容易提高其准确度,且计算量特别大,需要实验结束后用计算机器才能完成。若用DIS实验室完成该实验则轻松容易得多,只需准确地测量出摆长,数字采集器可自动测量出单摆的周期,点击一些按钮便可实现计算重力加速度、描绘T-l图像和T2-l图像等功能。

1 器材

计算机、DIS数据采集器、光电门(时间传感器)、细线、金属摆球、铁架台、米尺。

2 装置

用金属球与细线组成单摆,用铁架台悬挂起来。将光电门固定在单摆球平衡位置的下方,使摆球的中央恰好挡住光电门的光束。将传感器与数据采集器相连,数据采集器与计算机相连,装置如图1所示。

3 步骤

1)打开“友高数字化实验室V3.3”,依次点击“物理实验”“单摆”“实验窗口”按钮,进入单摆实验窗口,出现图2所示界面。

2)用米尺测出摆长l,填入“摆长”的大窗口中。

3)让摆球摆动起来,摆角要小一些(最好不超过5°),摆动尽可能处在与光电门的光束垂直的平面内。

4)单击“开始采集”,则表格中逐次显示出连续测量到的周期T值和它们的平均值。

5)单击“停止采集”,然后单击“记录数据”,则当前的一组l、T值(平均值)就会纪录在表格中。

6)多次改变摆长,重复2、3、4、5步骤,公测出不少于6组l、T值(平均值),也会自动记录在表格中(摆长要在0.5～1.5 m范围内取值)。

7)单击“计算T2”,则表格“T2”栏中就会出现一个根据每一个T值计算出的结果。

8)单击“计算g”,则表格“g”栏中就会出现一个根据每一组l、T值计算出的结果,以及这些个g的平均值。

9)单击“保存表格”,将表格保存到“实验报告”中。

10)选定“T-l”图像,单击“画点”,则坐标中出现表格中各组l、T对应的数据点;单击“数据点连线”,则依据这些数据点画出一条曲线。单击“保存图像”,将图像保存到“实验报告”中。

11)选定“T2-l”图像,单击“画点”,则坐标中出现表格中各组l、T2对应的数据点;单击“数据点连线”,则依据这些数据点画出一条直线。单击“保存图像”,将图像保存到“实验报告”中。

12)完成实验报告,单击“存盘”,则会自动形成一个Word文档形式的实验报告。

笔者应用DIS完成“单摆”实验的数据表格及图像分别见表1和图3。从实验结果不难看出,相对误差很小,仅为0.2%,并且将学生从繁琐的计算中解脱出来。

4 思考与探究

1)单摆的振动周期与摆球的质量有无关系?

2)单摆的振动周期与摆球的振幅(或摆角)有无关系?