第11讲 探究影响动能和势能的因素

突破点1  探究影响动能大小的因素 

例题1【4☆】在某次探究活动中，小明对老师给出的“小球在光滑斜面由静止释放时，所处高度越高，到达斜面底端的速度越大，而与小球质量无关”这一结论产生了质疑．他猜想小球从同一光滑斜面上自由滚到底端时的速度

猜想一：可能与小球在光滑斜面上的高度无关 

猜想二：可能与小球的质量有关 

他选择了一些实验器材，进行了如下实验（图中A、B、C分别表示小钢球在第0.1s末、第0.2s末、第0.3s末所处的位置，钢球1、2、3的质量关系为m1＜m2=m3） 

（1）实验一是为了验证猜想_________（选填“一”或“二”），通过该实验他得到的结论是：小球从同一光滑斜面上自由滚到底端时的速度与小球的质量______（选填“有关”或“无关”） 

（2）实验二中，小球2和3在同一光滑斜面的不同高度处同时由静止释放，到达底端时的速度分别为v2、v3，请判断v2_______v3（选填“＞”、“=”或“＜”）． 

（3）在完成了以上探究后，小明继续进行“探究动能的大小与速度的关系”的实验三，根据实验的结果：他得出了“速度越大，动能越大”的结论，你认为他的结论是否可靠？______（选填“可靠”或“不可靠”）．原因是________________． 

解析：（1）由图可知两球所处的高度相同，但两球的质量不同，所以该实验是为了验证小球的动能可能与小球的质量有关；实验发现两球在相同的时刻到达同一地方，速度相同，因此球从光滑斜面上自由滚到底端时的速度与小球的质量无关； 

（2）由图可知，在相同的时间内，3球运动的距离比2球的运动距离远，因此3球的速度较大； 

（3）在研究动能与速度关系时，应该控制两球的质量相同，在该实验中两球的质量不同，因此得出的实验结论不可靠；

答案：（1）二；无关;（2）＜；（3）不可靠；实验中没有使两球质量相同（或者没有用到控制变量法） 

点拨：解决此类多因素问题要结合控制变量法进行分析 

突破点2  探究影响重力势能大小的因素 

例题2【4☆】在生活、生产中我们常遇到下面事例：打夯时夯锤被高高抛起又下落，砸在工作面上；打桩机打桩时重锤被高高拉起又下落，打在桩面上…
（1）请你再举一个类的事例：____________；
（2）这些事例涉及到的共同物理知识是：_________；
（3）小军看到打桩机，思考“重锤对地面打击力的大小与什么因素有关”的问题，并提 出猜想一：打击力的大小与重锤的质量有关．请你另提出一个猜想二：打击力的大小与___________________.
（4）小军找来排球和足球模拟“打桩”来验证猜想一．设计实验方案如下：a．用台秤分别称出排球和足球质量m1、m2；b．在光滑平整的地板上放一张白纸，在白纸上叠放一张复写纸．将排球从纸的正上方一定高度静止下落，排球打在复写纸上，在白纸上留下打击的复写印迹．记为“印迹l”；c．换用足球从另一高度落下，重做上面的实验．得到足球打击的“印迹2”；d．如何利用台称较准确地测出排球和足球的打击力F1、F2的大小？小军有点为难，请你完成测出F1、F2的方案：___________________________________________；
（5）请对小军的实验方案作出评估：______________．

解析：（1）打夯时夯锤以及打桩机打桩时重锤在工作时，都要被举高然后落下，砸在物体上．（2）打夯时使地面的形状发生变化；打桩机打桩时，将桩打入地面，使地的形状发生变化，都是利用力改变物体的形状．并且两种情况夯锤、打桩重锤都要被举高而具有了能量，所以也用到了重力势能的知识．（3）由于物体要被举高，所以猜想打击力还与物体举高的高度有关．（4）要想使两个力的大小相等，则使其作用效果相同就可以．（5）该同学在c中，换用足球从另一高度落下，重做上面的实验．得到足球打击的“印迹2”；没有控制高度相同，同时他采用的这种测量力的方法不易操作．为了使结果更加准确应进行多次测量．
答案：(1)铁匠将铁锤举高后打击铁块来改变铁块的形状（或其它合理的都可以）．(2)利用力可以改变物体的形状或被举高的物体具有重力势能．(3)举高的高度有关．(4)将排球和足球印迹纸分别放在台秤上，并分别用排球和足球用手下压到与印迹完全相同，读出台秤的示数，就得到F1、F2的大小．(5) 没有控制两球下落高度相同或测量F1、F2时不易操作或没有进行多次测量等．
点拨：此题主要考查了重力势能的理解及影响因素，同时还考查了力的作用效果．在做题过程中要善于总结规律，找出共同点．

突破点3  探究影响弹性势能大小的因素 

例题3【5☆】（2011•云南昭通）为了探究“弹性势能的大小跟哪些因素有关”，小明同学有如下猜想：

猜想一：弹性势能的大小与弹簧的材料有关； 

猜想二：弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关． 

为探究猜想一是否正确，小明同学设计了如图甲所示的实验装置，探究方案如下（以下所有弹簧被压缩后都未超过其弹性限度）： 

①将A、B两根外形完全相同，材料不同的弹簧分别按图甲安装好；②将小球置于弹簧A的右端，使弹簧被压缩的长度为3cm（见图乙），放手后小球被弹出，并与一木块相碰，木块被推动了一段距离S1；③将小球置于弹簧B的右端，使弹簧被压缩的长度为3cm，放手后小球被弹出，并与在同一位置的同一木块相碰，木块被推动了一段距离S2；④比较S1、S2得出结论． 

（1）比较以上实验数据，若___________，说明弹性势能的大小与弹簧的材料有关；若___________，说明弹性势能的大小与弹簧的材料无关． 

（2）由于弹性势能的大小不便用仪器测量，本实验中把弹性势能的大小转换为观察木块被推动的距离，这种研究方法叫转换法．请你按要求举出两个在探究中用转换法的实例：①热学：_______________________； 

②电学：______________________________． 

（3）请将探究猜想二的方案补充完整． 

①将弹簧A按如图13甲安装好；②将小球置于弹簧A的右端，使弹簧被压缩的长度为2cm，放手后小球被弹出，并与一木块相碰，木块被推动了一段距离S3； 

③_____________________________________． 

④_____________________________________． 

解析：（1）比较以上实验数据，若S1不等于S2，说明弹性势能的大小与弹簧的材料有关；若S1等于S2，说明弹性势能的大小与弹簧的材料无关； 

（2）转换法的应用，热学中：在清水中滴入红墨水，通过扩散现象证明大量分子做无规则运动； 

电学中：通过磁铁吸引大头针的多少来说明磁性的强弱； 

（3）补充实验步骤：③将小球置于弹簧A的右端，使弹簧被压缩的长度改变，放手后小球被弹出，并与在同一位置的同一木块相碰，木块被推动了一段距离S4； 

④比较S3和S4得出结论． 

答案：（1）S1不等于S2，S1等于S2； 

（2）在清水中滴入红墨水，通过扩散现象证明大量分子做无规则运动；通过磁铁吸引大头针的多少来说明磁性的强弱； 

（3）③将小球置于弹簧A的右端，使弹簧被压缩的长度改变，放手后小球被弹出，并与在同一位置的同一木块相碰，木块被推动了一段距离S4； 

④比较S3和S4得出结论．
点拨：本题为探究弹性势能与哪些因素有关的实验，考查了分析实验能力、考查了学生对控制变量法、转换法的了解与掌握，属于难题．
创新能力挑战
1.【4☆】掉在水平地面上的弹性小球会被弹起，而且弹跳的高度会越来越低．如图所示是小球弹跳的频闪照片，MN为等高线，小球在3、5位置的高度一样．下面说法正确的是（　　）
A、小球在位置4时的势能最大
B、小球3和5比较，动能相等，势能也相等
C、小球3和5比较，它们的机械能相同
D、小球从位置1到位置2的过程中，势能主要转化为动能

2、【5☆】简要回答有关水电站的下列问题，并说明理由．
（1）从能量转化的角度说明水电站的工作原理；
（2）建设水电站选址时，从能量利用的角度来看，你将选择图甲所示的A址，还是选择图乙所示的B址？为什么？