Question

4．某同学利用如图1装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究：一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连；弹簧处于原长时，小球恰好在桌面边缘，如图所示．向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放； 小球离开桌面后落到水平地面．通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．回答下列问题：

（1）本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能E_p与小球抛出时的动能E_k相等．已知重力加速度大小为g．为求得E_k，至少需要测量下列物理量中的ABC（填正确答案标号）．
A．小球的质量m            B．小球抛出点到落地点的水平距离s
C．桌面到地面的高度h       D．弹簧的压缩量△x       E．弹簧原长l₀
（2）用所选取的测量量和已知量表示E_k，得E_k=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$．
（3）图2中的直线是实验测量得到的s-△x图线．从理论上可推出，如果h不变，m增加，s-△x图线的斜率会减小（填“增大”、“减小”或“不变”）；如果m不变，h增加，s-△x图线的斜率会增大（填“增大”、“减小”或“不变”）．由图（b）中给出的直线关系和E_k的表达式可知，E_p与△x的2次方成正比．

Answer 1

分析 本题的关键是通过测量小球的动能来间接测量弹簧的弹性势能，然后根据平抛规律以及动能表达式即可求出动能的表达式，从而得出结论．本题的难点在于需要知道弹簧弹性势能的表达式（取弹簧因此为零势面），然后再根据E_p=E_k即可得出结论

解答 解：（1）由平抛规律可知，由水平距离和下落高度即可求出平抛时的初速度，进而可求出物体动能，所以本实验至少需要测量小球的质量m、小球抛出点到落地点的水平距离s、桌面到地面的高度h，故选ABC．
（2）根据h=$\frac{1}{2}$gt²，s=vt知，v=s $\sqrt{\frac{g}{2h}}$，则小球的动能Ek=$\frac{1}{2}$mv²=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$．
（3）对于确定的弹簧压缩量△x而言，增大小球的质量会减小小球被弹簧加速时的加速度，从而减小小球平抛的初速度和水平位移，即h不变m增加，相同的△x要对应更小的s，s-△x图线的斜率会减小．
根据能量守恒有：Ep=E_k=$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$，又s∝△x，则s²∝△x²，可知Ep与△x的二次方成正比．
故答案为：（1）ABC，（2）$\frac{mg{s}^{2}}{4h}$，（3）减小，增大，2

点评 本题考查验证机械能守恒定律的实验，要明确实验原理，根据相应规律得出表达式，然后讨论即可