運(yùn)用PASCO傳感器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

吉林師范大學(xué)物理學(xué)院(136000) 劉茂軍 祝金雙

機(jī)械能守恒定律是高中物理中的重要內(nèi)容，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律也是高中物理實(shí)驗(yàn)的重要課題之一。人教版物理必修2教材中是利用重錘只在重力作用下做自由落體運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的。實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是使打點(diǎn)計(jì)時器豎直平穩(wěn)的放置，以減小紙帶下落過程中所受的摩擦力。實(shí)驗(yàn)中打點(diǎn)計(jì)時器懸空固定在鐵架臺的鐵桿上，實(shí)驗(yàn)操作時容易晃動，這樣一來紙帶下落時受到的摩擦力就無法忽略，紙帶甚至?xí)幌尬豢坠螖?。對?shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使小車、砝碼和掛鉤組成一個系統(tǒng)，小車在光滑導(dǎo)軌上運(yùn)動，減小摩擦力的影響，運(yùn)用PASCO傳感器記錄系統(tǒng)的速度和移動距離的關(guān)系,以系統(tǒng)靜止時為基準(zhǔn)點(diǎn)，讀取系統(tǒng)的最大速度v以及對應(yīng)的移動距離x，進(jìn)而算出系統(tǒng)動能的增加量和勢能的減少量，驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。系統(tǒng)的運(yùn)動過程由電腦監(jiān)控，數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，運(yùn)動圖像清晰，便于觀察與計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)用天平測量小車質(zhì)量m車和掛鉤的質(zhì)量m掛。

圖2 智能滑輪

(2)將導(dǎo)軌放到水平桌面上并調(diào)平。

(3)將滑輪固定在光電門上，構(gòu)成智能滑輪，如圖2所示。

(4)用萬能夾具將智能滑輪固定在水平桌面上。

(5)把小車放到導(dǎo)軌上，將細(xì)線的一端系在小車上，另一端通過滑輪槽系在掛鉤上，調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)線與導(dǎo)軌平行。

(6)將PASCO傳感器與計(jì)算機(jī)連接，光電門與PASCO傳感器的一個接口連接，打開電源。

(7)打開電腦中的DataStudio文件，創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)，建立位置速度圖像。

(8)把質(zhì)量為30 g的砝碼掛到掛鉤上，小車移動到遠(yuǎn)離滑輪的一端，單擊電腦上的啟動按鈕，再釋放小車，小車運(yùn)動到導(dǎo)軌另一端后，單擊停止按鈕，得到小車的位置速度圖像。

(9)再分別把質(zhì)量為50 g和70 g的砝碼掛到掛鉤上，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 第1組實(shí)驗(yàn)圖像

圖4 第2組實(shí)驗(yàn)圖像

實(shí)驗(yàn)組別小車質(zhì)量/g掛鉤質(zhì)量/g鉤碼質(zhì)量/g系統(tǒng)移動距離/m系統(tǒng)最大速度/(m·s-1)勢能減少量/J動能增加量/J誤差百分比/%15005300.6670.930.2330.2310.8625005500.6671.130.3660.3543.2835005700.6821.320.5110.5011.96

4 結(jié)果討論

通過實(shí)驗(yàn)定量研究發(fā)現(xiàn)，勢能的減少量只是略大于動能的增加量，說明運(yùn)用PASCO傳感器可以較為精確地驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，誤差主要來自小車與導(dǎo)軌間的摩擦。