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,五位半數(shù)顯.
自由落體實驗儀
1 概述
自由落體實驗儀是基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)實驗的儀器，利用自由落體實驗儀可行定性觀測和定量研究物體在自由落體狀態(tài)下的運動規(guī)律。從而達到教學(xué)演示實驗的目的。
MHY-14519 型為：主體度1.6m，鑄鐵腿三腳支架，底座穩(wěn)固，抗震動好，利于實驗室擺放操作。
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，利于課堂演示教學(xué)。
以上兩種自由落體實驗儀均可與J0201-G-2型計時器， J0201-CC存貯式計時器，J0201-CHJ存貯式數(shù)字毫秒計，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)的演示實驗或分組實驗。
本儀器還可以與J02015-2型簡易頻閃光源和照相機同步配合使用，用頻閃照像法研究自由落體運動的規(guī)律。
2 性能
2.1 儀器總 ： DP-LG-1型≥1.2m ；MHY-14519 型≥1.6m
2.2 實驗有效度 ： 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值實驗相對誤差 ： ≤ 2％
3 結(jié)構(gòu)與點
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，中間裝有兩個可意移動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，電磁鐵吸住鋼，切斷電源時，鋼下落作自由落體運動。電磁鐵的支架上還裝有兩個接線柱，可以與頻閃光源的同步輸入開關(guān)及學(xué)生實驗電源直6V相連接用于頻閃照相實驗用。（注:原接電纜的接線端子可卸下不用）
3.4 兩個光電門由小型聚光電珠和光敏接收管組成。兩個光電門可以上下意移動，在立柱上的位置由光電門支架的凹型槽底邊所對標(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，有利于提實驗度。鑄鐵式三腳支架是可拆卸的，便于運輸和貯存。（見圖二）
DP-LG-1型≥1.5m型的三腳支架為便攜式，將儀器提起時它可以靠自重自動收攏，便于搬動和運輸，實驗時為了保持調(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 實驗前的準(zhǔn)備
4.1 整機組裝：
（1）MHY-14519 型：將三個鑄鐵架腿用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，將四芯插頭插入計時器標(biāo)有“自由落體”的四芯插座上，接通J0201-G-2計時器電源，計時器顯示“0.00ms”，說明兩個光電門作正常。
4.2 將電磁鐵吸器，調(diào)節(jié)到刻度尺0點處，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，將兩個光電門分別置于立柱的中、下端處，細心調(diào)節(jié)三腳支架上的調(diào)節(jié)螺栓，使重錘線處于兩個光電門的
正中。從主體正面觀察時重錘線應(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，就可以做實驗了。
5 實驗
以下實驗均按選配J0201-G-2自由落體智能計時器為例。
5.1 實驗：驗證自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。
（1）實驗原理：初速度為零的自由落體運動其公式
(1)
如果物體下落的時間取：t1:t2:t3=1:2:3，則下落的距離就會得出：h1:h2:h3=1:4:9。
（2）實驗操作：儀器與計時器連接好，接通計時器電源，將計時器的電磁鐵開關(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，切斷電磁鐵電源，鋼自由下落，計時器同步計時，當(dāng)鋼通過兩個光電門后計時器自動停止計時，并循環(huán)顯示出鋼下落的時間t。
實驗中，依次移動光電門，使光電門的中凹形槽底邊對準(zhǔn)立柱標(biāo)尺的10cm，40cm，90cm處，分別測出下落的時間t1、t2、t3，每個時間測五次取平均值。如果可以得到h1:h2:h3=1:4:9對應(yīng)的下落時間t1:t2:t3=1:2:3的關(guān)系，驗證了自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。
5.2 實驗二：測量重力加速度g值。
（1） 實驗原理：根據(jù)自由落體運動公式(1)h=gt2/2可以得到
(2)
只要測出物體下落的距離h和對應(yīng)的下落時間t，就可以計算出重力加速度g值來。
（2）實驗操作：將光電門移至標(biāo)尺100cm處，實驗操作過程同實驗，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。
這種實驗方法簡單、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的起始點為鋼的直徑下沿，但當(dāng)鋼通過光電門時，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，這就成了時間測量上的誤差。
5.3 實驗三：初速度不為零且相等的自由落體實驗法，測量g值。
（1）實驗原理：為了減少電磁鐵剩磁和h測量的誤差對實驗度帶來的影響，采用初速度不為零的自由落體運動，其公式h=V0t+gt2/2，見圖三。將兩個光電門分別置于A,B兩點處，鋼從零點開始自由下落，設(shè)到達A點的速度為V0，再經(jīng)過時間t1后，鋼到達B點，AB兩點間的距離為h1，則有：
h1=V0t1+gt12/2 (3)
將光電門B下移段距離至B'點，重復(fù)上述實驗。設(shè)鋼從A點經(jīng)過時間t2到達B'點，AB'兩點間距離為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)
實驗的相對誤差計算公式為：δ＝│g標(biāo)-g測│/g標(biāo)x100％…………… (6)
重力加速度的理論值g=980.094cm/s2
這樣實驗的結(jié)果比實驗二的多，與標(biāo)準(zhǔn)重力加速度的相對誤差可做到≤1％。
5.3.2 實驗操作
儀器與計時器連接好，調(diào)整好，將二個光電門分別移到40cm，80cm標(biāo)尺刻度處，接通計時器電源，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光電門，計時器自動顯示出鋼通過兩個光電門40cm～80cm的的間隔時間t2-t1為(5)式中的t1，重復(fù)做五次實驗，取其平均值。再將下端處的光電門移到100cm處，重復(fù)上述實驗，取t2平均值。實驗結(jié)束。將實驗數(shù)據(jù)代入公式(5)，可計算出g的測量值，代入公式(6)求出相對誤差。
5.4 實驗四：
與頻閃光源，照相機，學(xué)生實驗電源和黑布幕配合做自由落體運動的頻閃照像，具體的實驗方法可參照J02015-2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間內(nèi)下落的位移，h1、h2、h3…hn，如果能驗證在各段相等的時間內(nèi)位移的增加量△h=h2-h1=h3-h2=……=hn-hn-1都相等，則可判斷、驗證自由落體運動是初速度為零的勻加速運動。并且從影像上可以直觀形象地觀察到鋼自由下落的運動軌跡。
6 注意事項
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 作自由落體實驗的度般應(yīng)>0.1m。因為，度越小幾何尺寸的誤差對實驗結(jié)果影響越大。
