Question

實驗室為你準備了下列主要的實驗器材：（1）帶孔的金屬小球；（2）光電門和光電計時器.試設(shè)計一個實驗，驗證機械能守恒定律.

要求：（1）說明實驗方法和原理以及還需要的測量工具和器材；

（2）說明實驗的步驟和測量的物理量；

（3）說明數(shù)據(jù)的處理和驗證的具體方法；

（4）說明誤差產(chǎn)生的原因和消除的方法.

Answer 1

解析：（1）用細線拴一小球，讓其從某一高度由靜止釋放，小球在向下擺動的過程中，線的拉力與球運動方向垂直，不做功.因小球運動的速度不太大，空氣阻力可以忽略，所以小球在下擺的過程中認為機械能守恒，如圖所示.設(shè)小球的質(zhì)量為m，用直尺測出某過程小球下落的高度，用光電門和光電計時器測出小球通過最低點時的速度，便可驗證球下擺的過程機械能是否守恒.

還需要的器材有：細線、刻度尺、鐵架臺、卡尺等.

（2）實驗步驟：

①用長約1 m的細線將金屬球懸掛在鐵架臺的支架上，測量出懸點到球心的距離L，并用卡尺測出小球的直徑d；

②將光電門安裝在懸點正下方小球恰好經(jīng)過的位置，并將光電門與光電計時器相連接?；

③在小球的釋放點立一長直尺，記錄小球釋放點的高度h；

④將小球由靜止釋放，記錄小球在最低點處穿過光電門用的時間Δt；

⑤改變小球釋放的高度，重復(fù)上述實驗，測出幾組數(shù)據(jù).

（3）產(chǎn)生誤差的主要原因是：小球釋放點高度的測量和擺線長度的測量不準而導致小球下落的高度差Δh測量不準.改進的方法是設(shè)置一個豎直的平面，記錄懸點的位置和過懸點的豎直線，讓小球在豎直平面內(nèi)運動，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測出由懸點到小球釋放點的高度h，算出小球下落高度Δh=L-h和小球重力勢能的變化ΔE_p=mg（L-h）.

②由小球的直徑d和小球通過光電門的時間算出小球在最低點時的速度v=和相應(yīng)動能增量ΔE_k=.

比較ΔE_p和ΔE_k的大小，便可驗證此過程機械能是否守恒.