版块11 功和机械能 专题11-5　机械能相关实验 （学生版） 初中物理尖子生自主招生培优讲义83讲

专题11-5 机械能相关实验 知识· 解读 一、影响动能大小因素的探究问题 1 使小球获得动能的方法:让小球从同一斜槽的某一高度由静止滚下。 2 实验方法: ①转换法:通过木块被撞后移动距离的远近反映物体动能的大小。 ②控制变量法:实验中探究动能与小球质量的关系,必须保持小球到达水平面的速度相同 (方法:使小球从同一斜槽的同一高度由静止滚下);探究动能与小球速度的关系,必须保持 小球的质量相同。 3 设计实验记录表格,分析可得出:物体的质量和物体运动的速度都影响物体动能的大小,且 质量越大、运动速度越大,动能越大。 4 超速、超载问题的判断:超速问题质量不变,超载问题速度不变。 5 小球从开始运动到静止过程中机械能的变化:在斜槽上运动时,机械能减少,重力势能转化 为动能和内能;在水平面上运动时,因为受到摩擦阻力,最后静止,机械能转化为内能。 6 水平面绝对光滑不能完成实验:木块将一直做匀速直线运动,无法比较木块移动的距离。 二、影响重力势能大小因素的探究问题 1 实验方法: ①转换法:通过沙坑的凹陷程度反映物体重力势能的大小。 ②控制变量法:实验中探究重力势能与物体质量的关系,必须保持物体高度相同(方法:不同 物体从同一高度由静止落下);探究重力势能与高度的关系,必须保持物体的质量相同(方 法:同一物体从不同高度由静止落下)。 2 设计实验记录表格,分析可得出:物体的质量和物体所处的高度都影响物体的重力势能大小, 且质量越大、所处高度越大,重力势能越大。 3 物体下落过程中未接触沙子时机械能的变化:考虑空气阻力的情况下,机械能减少,重力势 能转化为动能和内能。接触沙子后,因为受到摩擦阻力,最后静止,所以机械能转化为内能。 4 计算物体的重力势能(Ep=mg)。 典例· 解读 类型一：影响动能大小因素 第 1 页 / 共 6 页 例1、如图，某实验小组在“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验中，让小球从同一 斜面某处由静止释放，撞击同一水平面上的同一木块，木块移动一段距离后停止． (1)小球滚下斜面的过程中，它的________能转化为动能，其动能大小是通过木块移动的距 离来反映的． (2)分析比较________两次实验，可探究出的结论是：质量相同的物体，速度越大，动能越 大． (3)甲实验中若木块的重力为1 ，水平移动的距离是30 m 则重力对木块做功________ (4)如果水平面光滑，则________(选填“能”或“不能”)完成本实验． 【答】(1)重力势 (2)甲、乙 (3)0 (4)不能． 【解析】 (1)小球从斜面滚下过程中，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能； (2)由实验可知，甲、乙两次实验，球的质量相同，甲滚下的高度大于乙滚下的高度，甲中 木块移动距离更远，说明动能较大，可得质量相同的物体，速度越大，具有的动能就越大； (3)木块在水平方向上运动，在重力的方向上没有移动距离，不做功，重力G 对木块做的功 为0 ； (4)如果水平面光滑，则没有摩擦，木块在水平方向上受力为0，竖直方向上受到平衡力作 用，根据牛顿第一定律，运动的物体在受平衡力的作用时，将一直做匀速直线运动，无法测 量滑行距离，故不能完成本实验． 类型二：影响重力势能大小因素 例2、某同学在体育活动中，从铅球下落陷入沙坑的深度情况猜想到：物体的重力势能可 能与物体的质量、下落高度和运动路径有关．于是设计了如图所示的实验：用大小、形 状相同的、B、、D 四个铅球，其中、、 D 三球的质量为m，B 球质量为2m， 让、B 两球从距沙表面高静止下落，球 从距沙表面高2 静止下落，D 球从距沙 表面高2 的光滑弯曲管道上端静止滑入， 最后从管道下端竖直地落下(球在光滑管道中运动的能量损失不计)．实验测得、B 两球 陷入沙深度分别为1和2，、D 两球陷入沙深度均为3，且1＜2＜3 (1)本实验中，铅球的重力势能大小是通过__________________来反映的； (2)比较、B 两球，发现B 球陷入沙深度更大，由此可得出结论：______________________ _____________； (3)比较________两球，发现球陷入沙深度更大，由此可得出结论：当物体的质量相同时， 下落高度越高，物体的重力势能越大； (4)比较、D 两球，发现两球运动的路径不同，但陷入沙深度相同，由此可得出结论：物体 第 2 页 / 共 6 页 的重力势能与物体运动的路径________(填“有关”或“无关”)． （5）小球在下落过程陷入沙面前，将重力势能转化为____能，陷入沙中后到小球静止过 程中，将机械能转化为_____能 【答】(1)球陷入沙面的深度 (2)当下落高度一定时，物体的质量越大，重力势能越大 (3)、 (4)无关 （5）动 内 【解析】 本题考查探究影响重力势能大小的因素 （1）用沙子凹陷的深度来间接反映物体重力势能的大小，这种研究物理问题的方法称为转换 法； （2）B 球比球重，、B 两球下落高度相同而B 球在沙内凹陷得程度大，说明当所处高度相同 时，物体质量越大，重力势能越大； （3）依据控制变量法的要求，在比较高度对物体重力势能的影响情况时，需控制两球的质量 相同，因此应选、两球进行实验对比； （4）、D 两球质量和所处位置的高度相同，但D 球运动路径与球不同，而在沙中凹陷得程度 相同，说明重力势能与物体运动路径无关； （5）球从高处下落时，高度越来越低、速度越来越大，这是将物体的重力势能转化为动能； 当小球接触沙子静止后，其动能变为零，这是因为运动的小球克服沙子的阻力做功，将自身 的动能全部转化为沙子的内能 培优· 训练 一、选择题 1、在如图所示的实验中，小车从斜面的某一高度由静止开始滑下，撞击静止于水平木板 上的木块(不计空气阻力)．则下列说法中正确的是( ) ．小车在斜面上下滑的过程中，小车的动能转化为重力势能 B．小车在斜面上下滑的过程中，小车的机械能增大 ．木块对木板的压力和木板对木块的支持力是一对平衡力 D．若木板的表面光滑且足够长，则被撞击后的木块所获得的动能将保持不变 2、下图是高速公路避险车道示意图。当高速行驶的汽车出现刹车失灵时, 可通过进入避险车道快速降低车速直至停止。避险车道的作用是降低汽 车因高速行驶而具有的哪种能量带来的危害( ) 动能 B 势能 内能 D 电能 3、“物体动能的大小与哪些因素有关”的实 第 3 页 / 共 6 页 验中，小红同学让同一铁球从斜面的不同高度由静止释放，撞击同一木块，如图所示． 该实验是通过观察木块移动的距离来说明铁球对木块做功的多少．下列实验与此实验方 法相同的是（ ） ．用红墨水在水中的扩散现象来认识分子是运动的 B．建立牛顿第一定律用“伽利略斜面小车实验”进行研究 ．用不同的电阻和相同的电源研究电流和电阻的关系 D．研究光的直线传播时引入“光线” 二、填空题 1、利用如图所示装置探究“物体的动能大小与哪些因素有关”．将小球、B 分别拉到与 竖直方向成一定角度θ 的位置，然后都由静止释放，当小球摆动到竖直位置时，将与静 止在水平面上的木块发生碰撞，木块都会在水平面上滑行一定距离后停止．图中的摆长 L 都相同，θ1＜θ2，球、B 的质量分别为m、mB(m＜mB)． (1)如图甲、乙所示，同时释放、B，观察到它们并排摆动且始终相对静止，同时到达竖直 位置．这表明两小球在摆动过程中的任一时刻的速度大小与小球的________无关． (2)如图甲、乙所示，观察到B 球能将木块撞得更远，由此可得出结论： __________________________________________________． (3)图乙中小球B 到达竖直位置时的速度________(填“大于”“小于”或“等于”)图丙中 小球B 到达竖直位置时的速度．图乙、丙所示，图丙中木块滑行得更远些，由此可得 出结论： ________________________________________________． (4)有同学在探究“动能大小与质量的关系”时将实验装置改进成如图丁所示，利用质量不 同的铁球将弹簧压缩相同程度静止释放，撞击同一木块．该实验方是否可行？答：____ ____，若他按此方操作，他会看到的现象是：________________________________． 2、为了探究重力势能的大小与哪些因素有关,小明找到了、B、三个体积相 同的小球。让小球从高处自由落下,观察小球砸入沙坑中的深浅程度来比 较重力势能的大小,其中m=mB>m,三次实验如图所示。 (1)为了探究重力势能大小与质量的关系,他应选择图甲和图 进行对比实验。 (2)为了探究重力势能的大小与高度的关系,他应选择图甲和图 进行对比实验。 (3)本次试验用到了多种研究物理问题的方法,请你任意指出其中一种方法,如: 。 第 4 页 / 共 6 页 3、利用如图的装置探究物体的动能大小与哪些因素有关。 将小球、B 分别拉到与竖直方向成一定 角度θ 的位置,然后都由静止释放,当小 球摆动到竖直位置时,将与静止在水平面 上的木块 发生碰撞,木块都会在水平面 上滑行一定距离后停止。图中的摆长L 都相同,θ=θB,θB<θB',球、B 的质量分别 为m、mB ( m<mB) 。 (1)如图甲、乙所示,同时释放、B,观察到它们并排摆动且始终相对静止,同时到达竖直位 置,这表明两小球在摆动过程中的任一时刻的速度大小与小球的_ ________ 无关。 (2)如图甲、乙所示,观察到B 球能将木块撞得更远,由此可得出结论: _ _______ _ _______ _ _______ _ _______ _ _____ _ _________ _ _______ 。 (3)图乙中小球B 到达竖直位置时的速度_ _______ (选填“大于”“小于”或“等于”) 图丙中小球B 到达竖直位置时的速度,如图乙、丙所示,图丙中木块 滑行得更远些,由此 可得出结论: _ _______ _ _____ _ _______ _ _______ _ _______ _ _______ _ _______ 。 4、火箭发射过程中残骸坠落地面有可能砸毁民宅,这个问题引起了某校科技小组的关注。 竖直下落的物体与地面碰撞时对地面的作用力大小与哪些因素有关呢?某同学猜想与物 体的质量、开始下落时离地面的高度有关。 (1)你猜想还与_ _______ 有关。 (2)该同学为验证他的猜想,设计了如下实验方。在水平地面上平铺一些报纸,将涂满红色 颜料的同一篮球从不同高度由静止释放,篮球会在报纸上留下大小不同的圆形红色印迹; 通过比较印迹的大小即可比较篮球对地面作用力的大小。该方所用到的实验方法 有_ _______ _ _______ 。 (3)另一同学将留有红色印迹的报纸放在如图所示电子测力计上,再将篮球放在印迹 中央,用力下压篮球,当篮球恰好将_ ____ _ _______ 覆盖时,此时测力计示数即为篮球 留下该印迹时对地面作用力的大小。 5、为了探究物体动能大小与哪些因素有关，同学们设计了如图甲、乙所示的实验装置来 进行实验． 第 5 页 / 共 6 页 （1）图甲是让不同质量的小球沿同一光滑斜面从B 处由静止自由释放，然后分别撞击 到放在水平面上的同一木块，木块在水平面运动一段距离后静止时的情景．据此你能得 到的结论是______________ （2）图乙是让质量相同的小球沿同一光滑斜面分别从、B 由静止自由释放，让后与放 在水平面上的同一木块相碰到静止后的情景．据此你能得出结论是 ___________． （3）实验后，同学们联想到在公交事故中，造成安全隐患的因素有汽车的“超载”与 “超速”，进一步想知道，在影响物体动能大小的因素中，哪个队动能影响更大，于是 利用上述器材进行了实验测定，得到的数据如下表． ①为了探究“超载”隐患时，应选择________序号的实验进行比较． ②分析表格中对应的数据可知：________对物体的动能影响更大，即当发生交通事故时， 由此造成的危害更严重． 1 30 10 4 2 30 20 16 3 60 10 8 第 6 页 / 共 6 页