Question

5．一同學要研究輕質(zhì)彈簧的彈性勢能與彈簧長度改變量的關(guān)系．實驗裝置如圖甲所示，在離地面高為h的光滑水平桌面上，沿著與桌子右邊緣垂直的方向放置一輕質(zhì)彈簧，其左端固定，右端與質(zhì)量為m的小剛球接觸．將小球向左壓縮彈簧一段距離后由靜止釋放，使小球沿水平方向射出桌面，小球在空中飛行落到位于水平地面的記錄紙上留下痕跡．重力加速度為g．
（1）若測得某次壓縮彈簧釋放后小球落點P痕跡到O點的距離為s，則釋放小球前彈簧的彈性勢能表達式為E_p=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$；（用m、g、s、h等四個字母表示）
（2）該同學改變彈簧的壓縮量進行多次測量得到下表一組數(shù)據(jù)：

彈簧壓縮量x/cm	1.00	1.50	2.00	2.50	3.00	3.50
小球飛行水平距離s/cm	20.10	30.00	40.10	49.90		69.90

根據(jù)表中已有數(shù)據(jù)，表中缺失的數(shù)據(jù)可能是s=60.00cm；

（3）完成實驗后，該同學對上述裝置進行了如圖乙所示的改變：（I）在木板表面先后釘上白紙和復(fù)寫紙，并將木板豎直立于靠近桌子右邊緣處，使小球向左壓縮彈簧一段距離后由靜止釋放，撞到木板并在白紙上留下痕跡O；（II）將木板向右平移適當?shù)木嚯x固定，再使小球向左壓縮彈簧一段距離后由靜止釋放，撞到木板上得到痕跡P；（III）用刻度尺測量紙上O點到P點的豎直距離為y．若已知木板與桌子右邊緣的水平距離為L，則（II）步驟中彈簧的壓縮量應(yīng)該為x=$\frac{L}{20.0\sqrt{\frac{h}{y}}}$．（用L、h、y等三個字母表示）

Answer 1

分析 （1）彈簧釋放后，小球在彈簧的彈力作用下加速，彈簧與小球系統(tǒng)機械能守恒，小球離開桌面后，做平拋運動，根據(jù)平拋運動的知識可以求平拋的初速度，根據(jù)以上原理列式即可；
（2）根據(jù)表達式求解．
（3）先從實驗數(shù)據(jù)得出彈簧的壓縮量與小球的射程的關(guān)系，再結(jié)合第一小問中結(jié)論得到彈性勢能與小球的射程的關(guān)系，最后綜合出彈簧的彈性勢能E_P與彈簧長度的壓縮量x之間的關(guān)系．

解答 解：（1）由平拋運動規(guī)律有 s=vt，
h=$\frac{1}{2}$gt²，
得 v=$\frac{s}{\sqrt{\frac{2h}{g}}}$=s$\sqrt{\frac{g}{2h}}$．
由機械能守恒定律得 E_P=$\frac{1}{2}$mv²=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$
釋放小球前彈簧的彈性勢能表達式為E_p=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$
（2）由表中數(shù)據(jù)可看出，在誤差范圍內(nèi)，s正比于x，即s=20.0x，
s=20.0×3.00=60.00
（3）由E_p=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$，小球釋放前壓縮彈簧的彈性勢能為：E_p=$\frac{mg{L}^{2}}{4y}$ 聯(lián)立得（II）步驟中彈簧的壓縮量應(yīng)該為 x=$\frac{L}{20.0\sqrt{\frac{h}{y}}}$
故答案為：（1）E_p=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$
（2）60.00（3）x=$\frac{L}{20.0\sqrt{\frac{h}{y}}}$

點評 該題首先是考察了平拋運動的應(yīng)用，解決關(guān)于平拋運動的問題常用的方法是沿著水平和豎直兩個方向進行分解，運用各方向上的運動規(guī)律進行解答．利用x與s之間的關(guān)系求出彈簧彈性勢能與彈簧壓縮量x之間的關(guān)系式．考察了在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上對實驗改裝后的情況進行分析求解，考察了同學們的應(yīng)變能力．還考察了對實驗誤差的分析，讓學生學會試驗中某個量發(fā)生變化導(dǎo)致結(jié)果如何變化的分析．