13.实验:测量中学生爬楼梯的平均功率
【实验器材】
体重秤、刻度尺(卷尺)、秒表、粉笔、楼梯。
【实验目的】
测量中学生爬楼梯时的平均功率,理解平均功率的物理意义。
【实验原理】
。
【实验步骤】
A.用体重秤测量一名中学生的质量$m$,用刻度尺测量单级台阶的高度$h$,数出总台阶数$n$,计算楼梯总高度$H(H=$$)$,记录数据;
B.用粉笔标记楼梯的起点和终点,保证攀爬路径、高度一致;
C.中学生匀速爬完楼梯的时间$t$,重复3次;
D.更换不同质量的中学生,重复上述步骤,记录多组数据;
E.整理器材,清理粉笔标记。
【思考与讨论】
(1)实验中让同一名中学生重复三次实验,取时间的平均值的目的是什么?
(2)若秒表提前启动或延迟暂停,会对测量结果造成什么影响?
(3)实验中测量“平均功率”,而非“瞬时功率”,其原因是什么?如何能粗略测量瞬时功率?

解：
【实验原理】$P=\frac{W}{t}=\frac{mgH}{t}$
【实验步骤】A. $H=nh$
(1) 多次测量取时间的平均值，减小爬楼时间的测量误差，进而减小最终功率测量的误差，使实验结果更准确。
(2) 秒表提前启动或延迟暂停，会导致测得的爬楼时间t比实际真实爬楼时间偏大，根据公式$P=\frac{mgH}{t}$，在m、H测量准确的前提下，最终得到的功率测量值会小于实际的真实功率。
(3) 原因：人爬楼梯的过程中运动速度是不断变化的，很难保持全程完全匀速，瞬时功率对应某一极短时刻的做功快慢，现有实验器材无法直接精准测量极短时间内对应的做功量，难以直接得到瞬时功率，因此本实验测量爬楼全过程的平均功率。
粗略测量瞬时功率的方法：选取连续的少数几级台阶，测出这部分台阶的总高度$h_0$，让学生以稳定的速度快速通过这小段台阶，用秒表测出通过该段台阶的时间$t_0$，通过公式$P=\frac{mgh_0}{t_0}$计算出该小段过程的平均功率，即可近似作为该段路程对应的瞬时功率。