利用Phyphox和自由落体运动验证机械能守恒

图1 实验场景

1 引言

近日，为了检验Phyphox中的声强计的可靠性，微主在焦作十一中创客空间在自由落体运动情形下做了一个验证机械能守恒的实验，实验取得圆满成功。

2 程序编写

本实验设计是以自由落体运动为背景，如图1所示，将钢尺伸出桌面少许，将钢球放置在钢尺的末端。用刻度尺测量钢球自由落体的高度，用声强计测量钢球自由落体的时间。

利用下降高度可以计算出钢球下降过程中重力势能的减小量；利用落体时间和下降高度可以计算出平均速度，进而计算出钢球下降过程中的动能增加量。

通过比较重力势能减小量与动能增加量的大小，可以检验在自由落体过程中机械能是否守恒。

图2 程序编写

3 数据测量

利用刻度尺测量出钢尺上表面、即钢球底部与地板之间的高度差，这个高度差即是钢球自由下落的距离。如图3所示，实测发现，高度差为0.757m。

图3 下落高度测量

运行Phyphox，用笔杆横向敲击钢尺，钢球自由下落；Phyphox中的声强计记录下如图4所示的声音强度变化规律；在声强时间曲线当中，第一个尖峰对应着钢球下落的瞬间，第二个尖峰对应着钢球落地的瞬间，其他尖峰对应着钢球在地板上弹跳的瞬间。

在此次实验中，钢球下落的时间为0.399s。

图4 下落时间测量

4 数据分析

在本实验中，需要检验的是重力势能的减小量是否等于动能的增加量，需要验证的等式为

1式

对1式化简可得

2式

要想验证机械能是否守恒，只需要检验2式两侧是否相等即可。

如图5所示，在Phyphox的实验设计环节，已经将上述表达式考虑在内了，只要实验者能将下降高度和下降时间准确录入，Phyphox将自动计算出重力势能的减小量和动能的增加量，以及实验的相对误差。

图5 实验数据分析

在本次实验中，相对误差为1.98%。

5 心得

在教材标配的实验中，需要用到铁架台、重锤、打点计时器、低压交流电源、纸带和刻度尺；准备时间长，实验步骤多，数据获取难，实验精度低。

在本实验中，巧妙利用智能手机中搭载的Phyphox，把声强计作为时间测量工具，提高了测量效率和精确度。实验设计巧妙，富有趣味，具有时代感和科技范。

| 创客焦作 | 

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