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.

要求：（1）說明實(shí)驗(yàn)方法和原理以及還需要的測量工具和器材；

（2）說明實(shí)驗(yàn)的步驟和測量的物理量；

（3）說明數(shù)據(jù)的處理和驗(yàn)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(xì)線拴一小球，讓其從某一高度由靜止釋放，小球在向下擺動的過程中，線的拉力與球運(yùn)動方向垂直，不做功.因小球運(yùn)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(rèn)為機(jī)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(jì)時(shí)器測出小球通過最低點(diǎn)時(shí)的速度，便可驗(yàn)證球下擺的過程機(jī)械能是否守恒.

還需要的器材有：細(xì)線、刻度尺、鐵架臺、卡尺等.

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：

①用長約1 m的細(xì)線將金屬球懸掛在鐵架臺的支架上，測量出懸點(diǎn)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(diǎn)正下方小球恰好經(jīng)過的位置，并將光電門與光電計(jì)時(shí)器相連接?；

③在小球的釋放點(diǎn)立一長直尺，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)處穿過光電門用的時(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)高度的測量和擺線長度的測量不準(zhǔn)而導(dǎo)致小球下落的高度差Δh測量不準(zhǔn).改進(jìn)的方法是設(shè)置一個(gè)豎直的平面，記錄懸點(diǎn)的位置和過懸點(diǎn)的豎直線，讓小球在豎直平面內(nèi)運(yùn)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(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(shí)間算出小球在最低點(diǎn)時(shí)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(yàn)證此過程機(jī)械能是否守恒.