高考物理:利用功能關係解決測量彈性勢能的方法

2020-12-11 村邊的小楊柳

用如圖所示的裝置測量彈簧的彈性勢能.將彈簧放置在水平氣墊導軌上,左端固定,右端在O點;在O點右側的B、C位置各安裝一個光電門,計時器(圖中未畫出)與兩個光電門相連.先用米尺測得B、C兩點間距離x,再用帶有遮光片的滑塊壓縮彈簧到某位置A,靜止釋放,計時器顯示遮光片從B到C所用的時間t,用米尺測量A、O之間的距離x.

(1)計算滑塊離開彈簧時速度大小的表達式是——

(2)為求出彈簧的彈性勢能,還需要測量——

(3)增大A、O之間的距離x,計時器顯示時間t將——

相關知識:

發生彈性形變的物體的各部分之間,由於有彈力的相互作用,也具有勢能,這種勢能叫做彈性勢能。同一彈性物體在一定範圍內形變越大,具有的彈性勢能就越多,反之,則越小。

物體由於發生彈性形變,各部分之間存在著彈性力的相互作用而具有的勢能叫做「彈性勢能」。在工程中又稱「彈性變形能」。例如,被壓縮的氣體、拉彎了的弓、卷緊了的發條、拉長或壓縮了的彈簧都具有彈性勢能。

彈性勢能是存儲在材料或物理系統的構造中的潛在機械能,因為執行工作以扭曲其體積或形狀。當需要壓縮和拉伸或大體上以任何方式變形時,彈性能量就會發生。 彈性理論主要發展為固體和材料力學的形式 (注意,拉伸橡皮筋所做的工作不是彈性勢能的一個例子,它是熵彈性的一個例子)彈性勢能方程用於機械平衡位置的計算。

勢能的單位與功的單位是一致的。確定彈力勢能的大小需選取零勢能的狀態,一般選取彈簧未發生任何形變,而處於自由狀態的情況下其彈力勢能為零。彈力對物體做功等於彈力勢能增量的負值。即彈力所做的功只與彈簧在起始狀態和終了狀態的伸長量有關,而與彈簧形變過程無關。彈性勢能是以彈力的存在為前提,所以彈性勢能是發生彈性形變,各部分之間有彈性力作用的物體所具有的。如果兩物體相互作用都發生形變,那麼每一物體都有彈性勢能,總彈性勢能為二者之和。

彈性的本質是可逆性。應用於彈性材料的力將能量轉移到材料中,在將能量轉移到其周圍環境之後,能夠恢復其原始形狀。然而,所有材料對於它們可以承受的變形程度都有限制,而不會破壞或不可逆地改變其內部結構。因此,固體材料的特徵包括通常在應變方面的彈性極限的規格。超過彈性極限,材料不再以彈性能量的形式儲存在其上進行的機械作業的所有能量。

彈性勢能可與動能直接相互轉化,但不能與重力勢能直接轉化。核心或實質:(勢能和動能間之間可直接轉化,但勢能不能與勢能直接相互轉化,就是說不可能在動能不變的情況下轉化)

解:(1)滑塊離開彈簧後的運動可視為勻速運動,故可以用BC段的平均速度表示離開時的速度;則有:v=xt;

(2)彈簧的彈性勢能等於物體增加的動能,故應求解物體的動能,根據動能表達式可知,應測量滑塊的質量;故選:C.

(3)增大AO間的距離時,滑塊被彈出後的速度將增大,故通過兩光電門的時間將減小;

故答案為:(1)xt;(2)C;(3)B.

要點解析:

明確實驗原理,知道測量彈性勢能的方法是利用了功能關係,將彈性勢能轉化為了滑塊的動能;根據速度公式可求得彈出後的速度;再根據實驗原理明確應測量的數據;同時根據彈性勢能的決定因素分析AO變化後速度變化.

考點點評:

本題利用機械能守恆來探究彈簧的彈性勢能的大小,要注意明確實驗原理,知道如何測量滑塊的速度,並掌握物體運動過程以及光電門的使用方法.

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