研究自由落体运动的两个好方法在高中物理教学中，我们会碰到许多涉及运动的实验，如研究小车的匀加 速直线运动、研究自由落体运动、研究平抛运动、研究弹簧振子的简谐运 动为了说明物体运动时物理参量的变化，我们一般彩静态的图例来描述物 体的动态的变化过程，从而来求解一些物理参量。 例如在研究自由落体运动时，我们一般使用打点计时器和纸带以及重物来 进行实验，将重物下落的过程转化为纸带上静态的点，从而通过对点迹的研究， 发现相邻的两段相等的时间内的位移的增量 h 是一个定值，从而判定该运动 是匀加速直线运动，同时根据 h=aT2算出加速度.应该说，这是一个很好的方 法，但在课堂上成功地做出这个实验是比较困难的。麻烦有四个方面：一、我 们要打出好几条纸带，很可能还选不到一条理想的纸带；二、测量和计算要花 费不少的时间；三、由于纸带和打点计时器之间有摩擦力的存在，导致测算出 的重力加速度偏小，很可能误差还不小；四、展示效果不佳。如此一来，在上 这一节课时，有的老师，把纸带事先做好，包括测量、计算的工作也都事先准 备好，课上，就做个样子。 教材上还介绍了用频闪照相的方法研究自由落体运动，但这个实验在课堂 里不具有可操作性。我们在讲这个方法时，也只是对原理作一介绍，或者进行 一下数据处理。 可不可以用更好的办法高效地在课堂上来完成这个实验？笔者在这个问题 上进行了认真的思考与实践，现给出其中的两种做法，与大家分享。 一、利用 DIS 数字化实验系统研究自由落体运动 DIS 数字化实验系统是一个完整的现代化教学技术平台，是运用现代实验 技术进行学习的一种新的技术和方法。笔者在进行“自由落体运动”的课堂教 学时，采用了这样的系统取得了良好的效果。 1 仪器准备 笔记本电脑、投影仪、超声测距收发一体的位移传感器、数据采集器、木盒。2 实验步骤 （1） 把位移传感器与数据采集器进行连接，把数据采集器接上电源并与笔记 本电脑连接。 （2） 在笔记本电脑上打开数字化实验系统，并设置坐标轴：横轴设为时间轴， 并定义最小值为 0，最大值为 3 秒（3 秒的时间已经非常充裕，在教室里 做自由落体运动的时间不会超过 1 秒） ；然后将纵轴设为位移轴，并定义 最小值为零，最大值为 500mm。 （3） 设定采集数据时间为 2 秒，设定数据采集器每 0.01 秒采集一个数据，也 就是最终将获得 200 个数据 （4） 请甲同学将位移传感器竖直地按在墙壁上保持不动，乙同学将木盒在传 感器的正下方的约 20cm 处按在墙壁上保持不动。此时对传感器进行 “校零” 。 （5） 点击“开始” ，同时乙同学释放木盒使其竖直下落。 （6） 这样，在电脑显示屏上就出现如图所示的画面。图中编号、为笔者自己所加的。其中号图线表示开始采集 数据之后木盒还未来得及释放，从而位移一直是“0” ，至于、两段图线表 示的是木盒碰到地面以后倒在一边，使得传感器测的是到地面的距离，所以， 在整个图线当中，只有号图线表示的是木盒的位移随时间的变化关系。 3 数据分析 选中号图线（阴影部分）并进行局部放大，对该图线进行抛物线拟合， 如下图所示。 由图中可知，对数据曲 线进行抛物线拟合的拟合度 达到 100%,这表明木盒的 “自由下落”确实是匀加速 直线运动，同时，从图中还 可看出，拟合系数 k2 的值 为 489.255，即木盒“自由 下落”的加速度为 9.78m/s2,这与江阴本地的 重力加速度（9.79m/s2）非 常接近。 需要说明一下的是，如 果将该图线选择了直线拟合， 拟合度达到了 97.2%，拟合 度也相当高，这一点，学生 也能理解：在时间越短的情 况下，曲线就越接近于直线。 4 实验拓展 利用打点计时器还可以验证机械能守恒定律，这里同样也可以实现该定律 的验证。点击“切线”按钮，然后在图线上选择任意一点，计算机可以自动捕 捉，作出切线，同时反馈两个值：y 值表示从静止开始下落的高度（单位是 mm） ；k 值表示切线的斜率，在物理意义上表示在某位置的速率（单位是 mm/s） 。我们可以很方便地得到一系列的数据并导入到 Excel 表格中进行批量运 算。 5 实验体会 DIS 数字化实验系统融合了当今信息技术的三大支柱，即传感技术、通信 技术和计算机技术，将该系统应用于物理课堂教学，既改进了物理实验的技术手段，也丰富了实验的方式方法，使得实验的科学性、可行性均有了很大的提 高。笔者还认为，让学生在学习物理课程的同时，了解传感器在科学研究中的 应用，甚至让学生亲手操作，运用传感器来进行简单的“科学探究” ，对于他们 了解科学、掌握科学是大有帮助的，甚至是必不可少的。 二、利用数码摄影技术研究自由落体运动 我们在研究自由落体运动时，为了将物体的运动分析清楚，有时还用频闪 照片来演示说明物体下落过程的变化情况，如果利用普通相机来进行频闪照片 拍摄，频闪照片的间隔时间把握不准，而且每张照片之间的时间间隔相对来说 非常长（一般为 0.10.8s） ，再加上照相机要有一段曝光时间，那就更不能将快 速的运动分析清楚了。 联想到运动会上，演播员会用慢动作回放许多精彩动作。那么我们能否将 物理实验中的运动也用慢动作播放呢？这样一来，笔者就想到了利用现在已经 被广泛使用的数码摄影机将这段运动过程拍摄下来，然后用电脑精确控制播放 速度。通过这样的方法也能方便地研究自由落体运动！（笔者已经将该想法制 成了课件，使用的效果相当好，欢迎来信索取） 1仪器准备 数码摄影机（如三星 MX10） 、摄影架、带小孔的小钢球、卷尺、重垂线等。2实验过程 （1）将卷尺沿着重垂线的方向固定在白色的墙上，将小钢球用细线穿过 小孔悬挂在墙上，注意使小球位于卷尺的一侧且与墙壁不接触。 （2）把摄影机固定在摄影架上，并调节与墙壁间的距离，然后进行光学 调焦，使得摄影区域与小钢球的下落的运动空间相匹配且视角尽量小一些。用 AV 视频数据线将视频信号直接输入投影仪。 （3）预先让摄影机开始拍摄，然后用剪刀剪断 挂着小钢球的细线，使小钢球自由下落，下落完后让摄 影机停止拍摄。这不但可以拍下小钢球下落的一段录像， 而且还能拍摄到小钢球下落时每帧图像所对应的刻度值。（4）将摄影机切换到到播放模式，选择慢速播 放中的单帧播放功能。在播放过程中还可以单帧倒放。 这样就不但可以让学生看清楚物体下落的画面，还可以 把下落的情况分解得一清二楚。 （5）这时，我们就得到了物体下落的帧画面， 每一帧所反映的钢球的位置我们都可以从刻度尺上读出。 从而得到如右图所示的数据。 3数据分析 根据每一点的数据，算出相邻两点之间的距离： h1、h2、h3、h4求出各相邻距离之间的差：h=h2-h1=h3-h2=h4-h3=h5-h4根据 h=gT2,求出 g=（这里 T=s）hT21 50在具体的数据分析时，我们也可以这样来计算：2)3( TADDGg4实验体会 该方法由于尽可能地减少了阻力的影响，所测得的数据跟真实值相当一致。该方法与传统的打点计时器相比较，突出的优点是：数据分析所得的结 果比较精确；由于不需要纸带、复写纸等，在材料耗费上很少；由于直接 显示了物体下落的动画和相应数据，学生更容易理解；该方法不仅能用来研 究自由落体运动，也可以用来研究平抛运动等。 单帧播放实际上呈现的是一张张的照片，这不但方便有效，还更加精确直 观，所以学生将会更容易理解。通过数形结合进行数据分析，使实验变得更加 简单、形象，从而完善了物理教学中从感悟到理性的全面认识。 该实验所得的一段录像，可以将其以 MPEG 的格式转存到电脑里，用会声 会影软件（或者超级解霸，都是一些常用软件）将该文件的头、尾部适当裁剪 掉一部分没用的录像，这样可以减小文件的大小。然后使用 Flash6.0 软件将该 影片导入到舞台，设置两种播放模式：一种是正常播放，另一种是单帧播放。 经过这样的简单处理，以后再需要用到的话，就省掉了现场拍摄的麻烦，实验 原理及实验经过通过这两种播放模式就能体现得很清楚。这里需要注意的是在 每次使用软件编辑时要保持帧率与拍摄时的帧率相一致。