Question

實(shí)驗(yàn)室為你準(zhǔn)備了下列主要的實(shí)驗(yàn)器材：（1）帶孔的金屬小球；（2）光電門(mén)和光電計(jì)時(shí)器.試設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

Answer 1

解析：（1）說(shuō)明實(shí)驗(yàn)方法和原理以及還需要的測(cè)量工具和器材；

（2）說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的步驟和測(cè)量的物理量；

（3）說(shuō)明數(shù)據(jù)的處理和驗(yàn)證的具體方法；

（4）說(shuō)明誤差產(chǎn)生的原因和消除的方法.

答案：（1）用細(xì)線拴一小球，讓其從某一高度由靜止釋放，小球在向下擺動(dòng)的過(guò)程中，線的拉力與球運(yùn)動(dòng)方向垂直，不做功.因小球運(yùn)動(dòng)的速度不太大，空氣阻力可以忽略，所以小球在下擺的過(guò)程中認(rèn)為機(jī)械能守恒，如圖5-9-1所示.設(shè)小球的質(zhì)量為m，用直尺測(cè)出某過(guò)程小球下落的高度，用光電門(mén)和光電計(jì)時(shí)器測(cè)出小球通過(guò)最低點(diǎn)時(shí)的速度，便可驗(yàn)證球下擺的過(guò)程機(jī)械能是否守恒.

圖5-9-1

    還需要的器材有：細(xì)線、刻度尺、鐵架臺(tái)、卡尺等.

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：

①用長(zhǎng)約1 m的細(xì)線將金屬球懸掛在鐵架臺(tái)的支架上，測(cè)量出懸點(diǎn)到球心的距離L，并用卡尺測(cè)出小球的直徑d；

②將光電門(mén)安裝在懸點(diǎn)正下方小球恰好經(jīng)過(guò)的位置，并將光電門(mén)與光電計(jì)時(shí)器相連接；

③在小球的釋放點(diǎn)立一長(zhǎng)直尺，記錄小球釋放點(diǎn)的高度h；

④將小球由靜止釋放，記錄小球在最低點(diǎn)處穿過(guò)光電門(mén)用的時(shí)間Δt；

⑤改變小球釋放的高度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，測(cè)出幾組數(shù)據(jù).

（3）產(chǎn)生誤差的主要原因是：小球釋放點(diǎn)高度的測(cè)量和擺線長(zhǎng)度的測(cè)量不準(zhǔn)而導(dǎo)致小球下落的高度差Δh測(cè)量不準(zhǔn).改進(jìn)的方法是設(shè)置一個(gè)豎直的平面，記錄懸點(diǎn)的位置和過(guò)懸點(diǎn)的豎直線，讓小球在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這樣便于記錄小球的釋放位置和下落高度.

（4）數(shù)據(jù)的處理方法是：①測(cè)出由懸點(diǎn)到小球釋放點(diǎn)的高度h，算出小球下落高度Δh=L-h和小球重力勢(shì)能的變化ΔE_p=mg(L-h).

②由小球的直徑d和小球通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間算出小球在最低點(diǎn)時(shí)的速度v=和相應(yīng)動(dòng)能增量ΔE_k=()².

    比較ΔE_k和ΔE_p的大小，便可驗(yàn)證此過(guò)程機(jī)械能是否守恒.