基于Pasco平臺的能量守恒問題研究

張羽　唐兒安琪　王珊

摘? 要：利用美國PASCO公司的傳感器動力學系統搭建測試平臺，運用運動傳感器測量小車在光滑斜坡上運動的速度和位置，進而對小車在光滑斜面上的動能與重力勢能進行精確計算。研究發現：當小車在斜坡頂端無初速度釋放時，初始的速度圖像波動比較大，不適合參與計算，應選取中間平穩速度曲線參與計算為最佳，實驗結果在正確度5%以內，較好地驗證了能量守恒定律。

關鍵詞：PASCO動力學系統? 能量守恒? 實驗

中圖分類號：0436 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0216-02

能量守恒定律是物理學中的重要內容，具體而言，能量守恒定律可以表述為：一個系統的總能量的改變只能等于傳入或者傳出該系統的能量的多少[1]。利用PASCO動力學系統[2]在光滑斜面上的小車運動時，摩擦力的影響忽略不計，運用運動傳感器記錄小車的速度和移動距離的關系，計算動能的增加量和勢能的減少量，驗證能量是否守恒。小車的運動過程由電腦監控，數據讀取準確，運動圖像清晰，便于觀察與計算[3]。

1? 實驗原理與實驗過程

實驗原理：將小車無初速度地放在傾斜軌道上，小車由于自身重力在斜面上的分力會使小車向下運動，此過程中小車的重力勢能減少而動能增加。該實驗將驗證動能與重力勢能將相互轉換，而保持總能量的不變，即驗證能量守恒在僅由重力勢能與動能組成的情況。

實驗過程如下。

（1）將軌道抬起一定角度，用支架固定，將運動傳感器安置在被抬起一端。

（2）將小車無初速度放在被抬起一側，輕輕放手。

（3）當小車即將撞上另一端時，手動停下小車。

（4）改變傾角，記錄數據，選取出合適圖像數據段進行分析。

2? 實驗數據與分析

根據圖1可以看出：利用運動傳感器可以測出小車在光滑斜坡導軌上運動時的位置變化和速度變化，當小車在斜坡頂端無初速度釋放時，初始的速度圖像波動比較大，所以為了提高測量結果的精度，在圖中選擇適合的圖像數據段進行分析顯得尤為重要。

由圖2原理簡圖可得：小車在光滑斜坡上下滑后動能增加，重力勢能減小，由△Ek=m（V12-V22計算動能變化;由△Ep=mgH=mg（X1-X2）計算勢能變化。詳細計算結果見表1。

3? 結果討論

調整斜面傾角變化，分別測量6組數據，計算其動能變化和勢能變化，研究發現，小車在光滑斜坡上下滑后，動能增加量近似等于重力勢能減小量，實驗結果的正確度在5%以內，較好地驗證了能量守恒定律。

參考文獻

[1] 潘學良.廣義能量守恒定律及其應用[J].科技風，2016（8）：152.

[2] 劉心允，王珊.基于Pasco平臺的小車碰撞問題研究[J].科技資訊，2013（29）：231，252.

[3] 劉茂軍，祝金雙.運用PASCO傳感器驗證機械能守恒定律[J].中小學實驗與裝備，2018，28（5）：21-22.