Question

10．一個(gè)同學(xué)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，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：在離地面高度為h的光滑水平桌面上，沿著與桌子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的一個(gè)小鋼球接觸．當(dāng)彈簧處于自然長度時(shí)，小鋼球恰好在桌子邊緣，如圖所示．讓鋼球向左壓縮彈簧一段距離后由靜止釋放，使鋼球沿水平方向射出桌面，小鋼球在空中飛行后落在水平地面上，水平距離為s．
（1）小鋼球離開桌面時(shí)的速度大小為v₀=s$\sqrt{\frac{g}{2h}}$，彈簧的彈性勢能E_p與小鋼球質(zhì)量m、桌面離地面高度h、小鋼球飛行的水平距離s等物理量之間的關(guān)系式為E_p=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$．．
（2）彈簧的壓縮量x與對應(yīng)的鋼球在空中飛行的水平距離s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：

彈簧的壓縮量x（cm）	1.00	1.50	2.00	2.50	3.00	3.50
小鋼球飛行的水平距離s（m）	2.01	3.00	4.01	4.96	6.01	7.00

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可確定彈性勢能E_p與彈簧的壓縮量x的關(guān)系為C（式中k為比例系數(shù)）．
A．E_p=kx        
B．E_p=k$\sqrt{x}$
C．E_p=kx²       
D．E_p=k$\frac{1}{x}$．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以求出鋼球離開桌面時(shí)的速度大小，根據(jù)功能關(guān)系可以求出彈性勢能的表達(dá)式．
（2）先從實(shí)驗(yàn)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）設(shè)桌子高度為h，小球離開桌面后做平拋運(yùn)動(dòng)，
水平方向：s=v₀t，
豎直方向有：h$\frac{1}{2}g{t}^{2}$，
聯(lián)立解得：v₀=s$\sqrt{\frac{g}{2h}}$，
根據(jù)功能關(guān)系可知彈簧彈性勢能轉(zhuǎn)化為小球平拋的初動(dòng)能，有：
E_P=$\frac{1}{2}{mv}_{0}^{2}$，
解得：
E_P=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$．
（2）E_p與彈簧的壓縮量x之間的關(guān)系為：E_p與x²成正比．
猜測的理由：由于${E}_{p}=\frac{mg{s}^{2}}{4h}$，可知E_p與s²成正比，由表中數(shù)據(jù)可看出，在誤差范圍內(nèi)，x正比于s，猜測可能E_p與x²也成正比，
故答案為：（1）s$\sqrt{\frac{g}{2h}}$；$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$．（2）C

點(diǎn)評 本題借助于平拋運(yùn)動(dòng)以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)考查了彈性勢能和彈性形變量之間的關(guān)系，是考查知識(shí)綜合應(yīng)用、公式理論推導(dǎo)的好題，其中得到彈性勢能表達(dá)式是個(gè)重點(diǎn)，難點(diǎn)是猜測E_p與彈簧的壓縮量x之間的關(guān)系，彈性勢能的表達(dá)式為：${E}_{P}=\frac{1}{2}k{x}^{2}$，故我們的猜測是完全正確的