基于Pasco平台的能量守恒问题研究

张羽　唐儿安琪　王珊

摘  要：利用美国PASCO公司的传感器动力学系统搭建测试平台，运用运动传感器测量小车在光滑斜坡上运动的速度和位置，进而对小车在光滑斜面上的动能与重力势能进行精确计算。研究发现：当小车在斜坡顶端无初速度释放时，初始的速度图像波动比较大，不适合参与计算，应选取中间平稳速度曲线参与计算为最佳，实验结果在正确度5%以内，较好地验证了能量守恒定律。

关键词：PASCO动力学系统  能量守恒  实验

中图分类号：0436    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（c）-0216-02

能量守恒定律是物理学中的重要内容，具体而言，能量守恒定律可以表述为：一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少[1]。利用PASCO动力学系统[2]在光滑斜面上的小车运动时，摩擦力的影响忽略不计，运用运动传感器记录小车的速度和移动距离的关系，计算动能的增加量和势能的减少量，验证能量是否守恒。小车的运动过程由电脑监控，数据读取准确，运动图像清晰，便于观察与计算[3]。

1  实验原理与实验过程

实验原理：将小车无初速度地放在倾斜轨道上，小车由于自身重力在斜面上的分力会使小车向下运动，此过程中小车的重力势能减少而动能增加。该实验将验证动能与重力势能将相互转换，而保持总能量的不变，即验证能量守恒在仅由重力势能与动能组成的情况。

实验过程如下。

（1）将轨道抬起一定角度，用支架固定，将运动传感器安置在被抬起一端。

（2）將小车无初速度放在被抬起一侧，轻轻放手。

（3）当小车即将撞上另一端时，手动停下小车。

（4）改变倾角，记录数据，选取出合适图像数据段进行分析。

2  实验数据与分析

根据图1可以看出：利用运动传感器可以测出小车在光滑斜坡导轨上运动时的位置变化和速度变化，当小车在斜坡顶端无初速度释放时，初始的速度图像波动比较大，所以为了提高测量结果的精度，在图中选择适合的图像数据段进行分析显得尤为重要。

由图2原理简图可得：小车在光滑斜坡上下滑后动能增加，重力势能减小，由△Ek=m（V12-V22计算动能变化;由△Ep=mgH=mg（X1-X2）计算势能变化。详细计算结果见表1。

3  结果讨论

调整斜面倾角变化，分别测量6组数据，计算其动能变化和势能变化，研究发现，小车在光滑斜坡上下滑后，动能增加量近似等于重力势能减小量，实验结果的正确度在5%以内，较好地验证了能量守恒定律。

参考文献

[1] 潘学良.广义能量守恒定律及其应用[J].科技风，2016（8）：152.

[2] 刘心允，王珊.基于Pasco平台的小车碰撞问题研究[J].科技资讯，2013（29）：231，252.

[3] 刘茂军，祝金双.运用PASCO传感器验证机械能守恒定律[J].中小学实验与装备，2018，28（5）：21-22.