用多种计时方法测量水滴自由下落时的重力加速度
实验室和教师介绍
实验室可提供的主要器材
数字式示波器、氦氖激光器或半导体激光器(使用时注意:激光不要直射眼睛)、秒表、压电陶瓷片、硅光电池、硬细导线、 1.5V 电池等。
实验目的、意义和要求
平时看到的雨水下落运动并不是加速运动,而是一种匀速运动。这是因为在高空中水汽遇冷形成水滴,在重力作用下开始加速下落,下落过程中受到空气阻力,阻力大小随着下落速度的增大而增大。当阻力与水滴重力相等时,水滴不再加速而以恒定速度下落。但水滴刚开始下落时,由于速度很小,阻力也非常小,所以可看作自由下落,本实验就是要测定水滴自由下落时的重力加速度。 测量小球自由下落的重力加速度方法很多,但水滴是液体,测量难度比固体要大。要求设计实验装置结构尽量简单,而测量精度尽量高。
实验前应回答的问题
- 水滴下落过程中受到哪些力的作用?
- 通过测量什么物理量可以得到重力加速度?
- 什么是硅光电池?它主要有哪些功能?
- 什么是压电陶瓷片?
- 如何用两根细导线和电池,利用水的导电性来组成计时启动装置?用该装置对水的纯度是否有一定要求?(如选用矿泉水、纯净水、自来水,还是其他含杂质水。)
- 如何用压电陶瓷片组成停止计时装置?
- 什么是数字式示波器?它主要有哪些功能?它的“单次触发”功能如何使用?如何用数字式示波器、启动装置、停止计时装置来计时?
- 如何用激光器、硅光电池组成记时装置来计时?
- 如何将秒表改成自动计时装置来计时?(见参考书籍与材料3)
实验内容
- 用两根硬细导线和电池,来组成计时启动装置。
- 用压电陶瓷片组成停止计时装置。
- 计时启动装置、计时停止装置分别与数字式示波器CH1(通道1)与CH2(通道2)相连接。数字式示波器置于“单次触发”档。
- 用滴管靠近计时启动装置,并向下滴水。这时在数字式示波器CH1与CH2前后分别显示两个脉冲(需要选择合适的时间档址)。读出两个脉冲的时间间隔。(由于脉冲有一定的时间宽度,如脉冲的时间宽度与时间间隔相比不能忽略,则应从脉冲上升沿开始计时还是从脉冲下降沿开始计时?)
- 用尺量出 计时启动装置与计时停止装置之间的距离(需作多次测量),并算出重力加速度g。(计时启动装置与计时停止装置之间的距离长短与测量精度有何关系?)
- 设计用激光器、硅光电池等组成计时装置测量并算出重力加速度g。
- 设计用秒表改成自动计时装置来测量并算出重力加速度g。
- 设计比较不同水质的水的导电性能的实验装置,并进行实验。
实验报告要求
- 阐明本实验的目的与意义。
- 实验过程的详细记录。
- 本实验的设计思路、设计过程和实验结果。
- 制作过程中遇到问题及解决的办法,特别是本人有创新和有体会的内容。
- 仪器制作的效果与自评。
- 本实验的收获、体会和改进意见。
参考书籍与材料
- 赵凯华,罗蔚茵. 新概念力学. 北京:高等教育出版社,1995.7.
- 童培雄,赵在忠,刘贵兴. 重力加速度g的测定. 物理与工程,10 (1) ,2000,35.
- 童培雄,刘贵兴. 测定一滴水自由下落时的重力加速度的方法. 物理通报,12,2000,33~34.
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