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验证机械能守恒定律与自由落体测 g:虚拟实验

虚拟自由落体实验。纸带法:先接通电源再释放、检查第一、二点间距、用相邻两点求瞬时速度、比较 mgh 与 ½mv²。电磁铁 + 翻板计时器(AQA 必做实验 3):多次重复、作 h–t² 或 t–√h 图像,看清电磁铁释放延迟和高度量到球顶对 g 的影响。

核心概念

自由落体

不计空气阻力时,所有物体下落的加速度都是 g:从静止开始 h = ½gt²,v² = 2gh。

用纸带求速度

某点的瞬时速度等于相邻两段的平均速度:vₙ = (hₙ₊₁ − hₙ₋₁) / 2T。用 v = gt 或 v = √(2gh) 就等于预先假设了要验证的结论。

ΔEk 略小于 ΔEp

限位孔的摩擦和空气阻力消耗少量能量,所以 ½v² 略小于 gh。若明显大于 gh,说明操作或处理方法有错。

图像消除恒定误差

电磁铁释放延迟使每次时间多出一个常数,作 t–√h 图像它成为截距;高度量到球顶使 h 多出一个常数,作 h–t² 图像它成为截距。

这个自由落体实验能学到什么

一个实验里包含两个经典的自由落体实验:用打点计时器验证机械能守恒定律(人教版必修第二册),以及用电磁铁和翻板计时器测重力加速度(AQA A-level 必做实验 3)。

纸带法中,你要选择计时器和下落物体,决定接通电源和释放纸带的先后,再处理纸带:看第一、二点间距,求各点速度,比较 ½v² 与 gh。翻板法中,你要设定电磁铁电流,决定高度量到哪里,重复下落,并选择作什么图像。

模型包含了使实际结果偏离理想值的因素:计时器的摩擦、空气阻力、电磁铁的释放延迟和高度的恒定误差。数据处理会显示它们各自如何体现——在 ΔEk/ΔEp、斜率还是截距上。

常见问题

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