中考物理二轮复习题型专项复习专题08 机械能相关实验（含解析）

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探究1：探究动能与哪些因素有关
1、本实验研究是小车的动能与哪些因素有关。
2、本实验通过木块被推动的距离体现小车的动能，此方法称为转换法。
3、图A是要探究动能大小与速度的关系，要探究动能大小与质量的关系，应该将小车从斜面的同一高度静止释放。目的是控制小车速度相等，这个过程中用到了控制变量法。
探究2：探究重力势能与哪些因素有关
1、本实验通过木桩下陷的深度体现重物的重力势能。
2、要探究重力势能与质量的关系，应将质量不同的重物从相同高度自由下落，撞击木桩，比较木桩下陷的深度。
3、要探究重力势能与高度的关系，应将同一物体从不同高度自由下落，撞击木桩，比较木桩下陷的深度。
探究3：探究弹性势能与弹性形变程度的关系
由实验可得到结论：相同条件下，弹性形变程度越大，弹性势能越大
【专题突破】
1．图甲图实验是探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验装置，图乙图实验是探究“阻力对物体运动的影响”的实验装置。
（1）甲、乙两个实验都是让物体从同一斜面相同高度静止放下，目的是让物体到达水平面的 速度 相同，甲、乙两个实验都用到了实验探究中的两种重要方法：转换法和 控制变量法 。
（2）甲组实验是探究动能和 质量 的关系，结论 当速度一定时，质量越大，动能越大 。
（3）在乙组实验中多次改变水平面的粗糙程度，当水平面粗糙程度越小时，小车运动越 远 ，推理得出：如果水平面绝对光滑，小车将永远做 匀速直线运动 。
【解答】解：（1）甲、乙两个实验都是让物体从同一斜面相同高度静止放下，目的是让物体到达水平面的速度相同；
甲图中，用看得见的物体移动的距离来表示看不见的动能的大小，而乙图中，通过看得见的小车运动的距离来表示看不见的阻力，都运用了转换法；
两实验中，都控制物体从同一高度自由下滑，是为了保证物体到水平面时的速度相同，两个实验都运用了控制变量法；
（2）让不同小球从同一斜面相同高度静止放下，撞击木板上的木块，这是控制了速度相同，质量不同，目的是探究物体的动能与质量的关系，且小球质量越大推动木块移动的距离越远，故能得出的结论是：当速度一定时，质量越大，动能越大；
（3）接触面粗糙程度越小，物体所受摩擦力越小，物体运动得越远，可推理得出：如果水平面绝对光滑，小车将永远做匀速直线运动。
故答案为：（1）速度；控制变量法；（2）质量；当速度一定时，质量越大，动能越大；（3）远；匀速直线运动。
2．在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让a、b的两个小球分别从同一斜面上由静止滚下，小球撞击放在水平木板上的同一木块，使木块滑动，虚线位置为木块滑动一段距离后停止的位置。
（1）小球进入水平面时的动能是由 重力势能 转化来的。实验时通过 木块被推动的距离大小 来比较动能大小。
（2）分析甲图和乙图两组实验，可以探究动能与 速度 有关。
（3）木块最终会停下来的主要原因是 受到阻力（或摩擦力）的作用 ，在此过程中木块通过 做功 方式把动能转化为内能。
（4）根据乙图和丙图所示实验， 能 （选填“能”或“不能”）比较出a、b两个小球哪个质量更大，你判断的理由是 b球到水平面的速度较小，却将木块推的远，动能大，可见b球质量一定大 。
（5）如果木板过于光滑的，则更 不利于 （选填“利于”或“不利于”）完成本实验。
【解答】解：（1）由图知，两个小球分别从同一斜面上由静止滚下，小球的质量不变，高度变小，重力势能减小，速度变大，动能变大，重力势能转化为动能；
实验中小球推动木块运动，推动的距离越远，表示小球能够做的功越多，小球具有的动能就越大，所以通过观察木块被推动的距离的大小，来判断小球动能的大小；
（2）在甲、乙两图中，使用同一个小球放置在不同的高度，控制了质量一定，改变了速度，所以甲、乙两图可以探究动能大小与速度的关系；
（3）由于木块受到阻力（或摩擦力）的作用，所以木块最终会停下来；在此过程中木块通过做功方式把动能转化为内能；
（4）根据乙图和丙图所示实验，能比较出a、b两个小球哪个质量更大，判断的理由是b球到水平面的速度较小，却将木块推的远，动能大，可见b球质量一定大；
（5）若木板过于光滑，木块将接近匀速直线运动，木板距离太短，木块容易滑出木板，无法对比木块被推动的距离远近，所以不利于完成本实验。
故答案为：（1）重力势能；木块被推动的距离大小；（2）速度；（3）受到阻力（或摩擦力）的作用；做功；（4）能；b球到水平面的速度较小，却将木块推的远，动能大，可见b球质量一定大；（5）不利于。
3．在“探究影响动能大小的因素”实验中，如图甲、乙、丙所示，让质量为m、2m的两个钢球分别从斜面上由静止滚下，钢球撞击放在水平木板上的木块，使木块滑动，虚线位置为木块滑动一段距离后停止的位置。
（1）实验通过观察 木块移动的距离 来比较动能的大小；
（2）甲、乙两次实验中，将同一小球从斜面的不同高度由静止释放，这是为了探究动能大小与 速度 的关系；
（3）比较甲、丙两图进行的实验，得出的结论是 当物体的速度一定时，质量越大，它具有的动能就越大 。
（4）小磊在探究“动能大小与质量的关系”时将实验装置改进成如图丁所示，利用质量不同的铁球将弹簧压缩相同程度静止释放，撞击回一木块，该实验方案是 不可行 （选填“可行”或“不可行”），理由是： 没有控制小球的速度相同 。
【解答】解：（1）通过观察木块被撞击后移动的距离来判断钢球动能大小，这是转换法的应用；
（2）在甲、乙两图中，将同一小球从斜面的不同高度由静止释放，控制了质量一定，改变了速度，所以甲、乙两图可以探究动能大小与速度的关系；
（3）由图示实验可知，甲、丙两次实验，将不同小球从斜面的相同高度由静止释放，控制了速度一定，丙小球的质量是甲小球的两倍，丙小球将木块推动得更远，说明丙小球的动能更大，所以得出的结论：当物体的速度一定时，质量越大，它具有的动能就越大；
（4）观察图丁的装置可知，若用质量不同的铁球将同一弹簧压缩相同程度后静止释放，撞击同一木块，撞击的动能由弹簧的弹性势能转化而来，而弹簧的弹性势能的大小与形变程度有关，故弹簧势能相同，转化出的动能相同，因两球质量不同，所以撞击木块的速度不同，故不可行，原因是没有控制小球的速度相同。
故答案为：（1）木块移动的距离；（2）速度；（3）当物体的速度一定时，质量越大，它具有的动能就越大；（4）不可行；没有控制小球的速度相同。
4．如图是小明探究“动能大小与哪些因素有关”的实验装置。
（1）在探究小车速度对其动能的影响时，应保持 质量 不变，使小车多次从 不同 （选填“相同”或“不同”）高度下滑进行实验。
（2）小明两次实验操作，第一次木块被撞得近，木块受到的摩擦力为f1；第二次木块被撞得远，木块受到的摩擦力为f2，则f1 ＝ f2（选填“＞”“＝”或“＜”）。
（3）如果水平面绝对光滑，本实验 不能 （选填“仍能”或“不能”）达到探究目的。
【解答】解：（1）在探究动能与速度的关系时，要保持小车的质量不变，让小车从斜面的不同高度滑下，那么小车到达水平面时的速度就不同；
（2）木块移动的距离不同，但木块压力大小和接触面的粗糙程度不变，摩擦力大小不变，两次实验中木块受到的摩擦力大小相同，故f1＝f2；
（3）如果水平面绝对光滑，由牛顿第一定律，小球和木块将做匀速直线运动，将无法通过比较木块被推动后移动的距离来比较小球动能的大小，因此不能达到探究目的。
故答案为：（1）质量；不同；（2）＝；（3）不能。
5．初三的小明同学学习完各种能量之后，对各种能量的大小特点产生了浓厚的兴趣。
（一）她猜想同一根弹簧具有的弹性势能大小可能与其形变量有关，于是进行如下实验：
①如图所示，把弹簧套在光滑竖直杆上，且底端固定在水平面上，用刻度尺读出并记录处于自由状态时弹簧上端距水平面的高度h0；
②将中间有孔的小铁块套在光滑杆上放于弹簧上端，竖直向下按压铁块，读出并记录此时弹簧上端到水平面的高度h1；
③释放小铁块，读出并记录铁块上升到最大高度时，铁块下端到水平面的高度h2；
④改变弹簧的压缩长度h1，重复以上步骤请你解答：
（1）弹簧每次被压缩时的形变量的表达式为 h0﹣h1 （用所测物理量的符号表示）；
（2）弹簧弹性势能的大小是通过 铁块上升的高度（h2﹣h1） 来间接反映的；
（3）根据表中数据得到的结论是同一根弹簧弹性势能的大小与 形变量的平方 成正比；
（二）意犹未尽的小明又探究起了动能的大小，她在咨询了的物理老师后，得知物体动能EA的计算公式是mv2。于是她让质量为m的物块以初速度v0在粗糙的水平面上运动，经过多次实验，测出多组不同的初速度v0与滑块在水平面上滑行对应的最大距离s，对数据进行分析后，解答下面的问题：
（4）由动能EA的计算公式mv2知，对动能影响较大的是 速度 （选填“质量”或“速度”）；
（5）当物块的初速度为2m/s时，滑行的最大距离为1m，则当物块的初速度为4m/s时，滑行的最大距离是 4 m；
（6）已知在水平面上运动的物块受到的摩擦力大小与压力成正比，则当物块初速度相同，增加物块的质量，物块滑行的最大距离 不变 （选填“增大”或“减小”或“不变”）。
【解答】解：
（1）弹簧的形变量h等于弹簧的原长度h0减去弹簧被压缩后的长度h1，即h＝h0﹣h1；
（2）实验中弹性势能的大小是通过铁块被弹起的高度来间接反映的，即铁块到达的最高点h2减去弹簧被压缩的最低点h1，即h2﹣h1；
（3）由表中数据分析可知Δh＝15x2，即△h与x2成正比例函数关系，即弹簧弹性势能的大小与形变量的平方成正比；
（4）由动能Ek的计算公式mv2可知，动能的大小与质量成正比、与速度的平方成正比，所以对动能影响较大的是速度；
（5）由题可知，物块克服摩擦力做功的最大值等于物块初动能，即fsmv02；
物块在同一水平面上以不同速度滑行，由影响摩擦力大小的因素可知，摩擦力大小不变，
当物块的初速度为2m/s时，滑行的最大距离为1.0m，则有：
fs1mv12﹣﹣﹣﹣﹣﹣①
当物块初速度为4m/s时，设滑行距离为s2，则有：
fs2mv22﹣﹣﹣﹣﹣﹣②
其中v1＝2m/s，v2＝4m/s，s1＝1.0m，
联立①②并代入数据可得，s2＝4m；
（6）根据题意可知，f＝kmg﹣﹣﹣﹣﹣﹣③
fsmv2﹣﹣﹣﹣﹣﹣④
④÷③可得：s，由于k、g均为常数，所以物体运动的距离大小与物体的初速度有关，与物体的质量无关；则当物块初速度相同，增加物块的质量，物块滑行的最大距离不变。
故答案为：（1）h0﹣h1；（2）铁块上升的高度（h2﹣h1）；（3）形变量的平方；（4）速度；（5）4；（6）不变。
6．如图所示，是研究动能的大小跟哪些因素有关的实验，让钢球从斜面上滚下，打到一个木块上，观察木块被推的距离。
（1）让同一钢球从不同的高度滚下时，原来的位置越高，滚到斜面下端时 速度 越大，把木块推得越远，说明在钢球质量相同的情况下，钢球的 速度 越大，动能越大。
（2）让质量不同的钢球从同一高度滚下，滚到斜面下端时速度相同，钢球的质量越大，把木
块推得越远，说明在钢球速度相同的情况下，钢球的质量越大，动能越 大 。
（3）从这个实验可以得出结论：运动物体的质量越大，速度越大，其动能越 大
（4）下表中记录了用甲、乙两球分别进行实验的数据。由表中数据可知：甲球的动能 小于
（选填“大于”“小于”或“等于”）乙球的动能；在质量和速度两个物理量中，对动能影响较大的是 速度 。
【解答】解：
（1）根据生活经验可知，同一钢球从不同的高度滚下，位置高的滚到斜面底端的速度就大，把木块推得越远说明运动的木块做功多，动能大，由此得出结论：在质量一定时，钢球的速度越大，动能就越大；
（2）让质量不同的钢球从同一高度滚下，小球到达斜面底端时的速度就是一定的，质量大的把木块推的远，说明了动能的大小和质量有关，在速度一定时，质量越大，动能也就越大；
（3）从这个实验可以得出结论：运动物体的质量越大，速度越大，其动能越大；
（4）物体动能的多少，可由它对外做功的多少来确定，而做功的多少，是通过木块运动距离的长短来反映的，由表中数据可知：甲球推动物体A被推的距离小于乙球推动A的距离可知，甲球的动能小于乙球动能；
由表中数据可知，甲的质量是乙的质量的2倍，乙的速度是甲的2倍，两者倍数相同，若这两个物理量对动能的影响程度相同，它们的动能也相同，而乙的动能大于甲的动能，所以，对动能大小影响较大的因素是速度。
故答案为：（1）速度；速度；（2）大；（3）大；（4）小于；速度。
7．小夏同学在体育活动中，从铅球下落陷入沙坑的深度情况受到启发，并产生了如下猜想。
猜想一：物体的重力势能与物体的质量有关
猜想二：物体的重力势能与物体的下落高度有关
猜想三：物体的重力势能与物体的运动路径有关
为此小夏设计了如图所示的实验：用大小、形状相同的A、B、C、D四个铅球分别从距离沙表面某高度处静止释放，其中D球从光滑弯曲管道上端静止滑入，最后从管道下端竖直落下（球在光滑管道中运动的能量损失不计）。
实验数据如下表：
（1）本实验中，采用的研究问题的方法是 控制变量法 和 转换 法。
（2）本实验中，铅球的重力势能大小是通过 铅球陷入沙中的深度 来反映的。
（3）为验证猜想二，应比较 ① 和 ③ （填实验序号），得到的结论是：当物质量相同时，高度越高，重力势能越 大 （选填“大”或“小”）。
（4）比较①②，可以验证猜想 一 （选填“一”、“二”或“三”）。
（5）比较③④，得到的结论是 当质量和下落高度相同时，重力势能与物体运动的路径无关 。
（6）经进一步实验和分析，小夏大胆给出重力势能（Ep）的表达式“Ep＝mgh”，并去办公室询问了老师，得以证实，小夏高兴不已，回到教室后，根据学过的知识又算出了各小球落到沙表面的动能，其中B球的动能为 2 J．（忽略空气阻力，g＝10N/kg）
【解答】解：
（1）（2）影响重力势能的因素有物体的质量和下落高度，研究重力势能与某个因素的关系时，需控制另一个因素不变，所以该实验中用到了控制变量法；
本实验中，铅球的重力势能大小是通过铅球陷入沙中的深度来反映，这就是我们常说的转换法；
（3）为了验证猜想二：物体的重力势能与物体的下落高度有关，应控制小球的质量相同，高度不同；结合图示和表格信息可知，应比较①和③两次实验；
A、C两球质量相同，下落高度不同，发现C球陷入沙中的深度更大，由此可得出结论：当物体质量相同时，高度越高，重力势能越大；
（4）比较①②可知，A、B两球的质量不同，下落高度相同，可以验证猜想一：物体的重力势能与物体的质量有关；
（5）比较③④可知，C、D两球的质量相同，下落高度也相同，两球的运动路径不同，发现两球陷入沙中的深度相同，由此可得出结论：当质量和下落高度相同时，重力势能与物体运动的路径无关；
（6）铅球在下落过程中，忽略空气阻力，铅球的重力势能转化为动能，
则根据Ep＝mgh可得，B球落到沙表面时的动能：E动＝Ep＝mgh＝0.4kg×10N/kg×0.5m＝2J。
故答案为：（1）控制变量法；转换；（2）铅球陷入沙中的深度；（3）①；③；大；（4）一；（5）当质量和下落高度相同时，重力势能与物体运动的路径无关；（6）2。
8．如图所示，小球在不同场景做不同物理运动。请你根据所给条件回答以下问题。
（1）如图甲，质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，到达斜面底端的速度为v0，此过程 重力势 能转化成 动 能，关系式mghmv2成立，则一个物体从高0.2m的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为 2 m/s。（g＝10m/s2）
（2）如图乙，将物体以一定的初速度v0沿水平方向抛出（不计阻力），物体做平抛运动，在水平方向做匀速直线运动，则水平方向的距离公式为 x＝v0t （用图中字母符号表示），在竖直方向下落得高度ygt2，则y与t2的关系可用丙图中的图线 b 表示。
【解答】解：（1）质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，此过程中小球的质量不变，高度变小，速度变大，故重力势能变小，动能变大，所以重力势能转化为动能；
因为质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，到达斜面底端的速度为v，过程中机械能守恒，
所以，mghmv2，
将h＝0.2m，g＝10m/s2代入，解得，v＝2m/s；
（2）由ygt2知，下落高度y与水平移动距离x的2次方成正比，由此可以判断曲线为b；
故答案为：（1）重力势；动；2；（2）x＝v0t；b。
9．已知质量不变时，物体的重力势能与高度成正比。现有一小球从离地面高度为H的空中由静止开始下落。
（1）若小球在下落过程中不受任何阻力，当小球的重力势能和动能相等时，物体离地面的高度记为h1，则h1 ＝ （填“＞”、“＝”或“＜”）。
（2）若小球在下落过程中要受到的空气摩擦阻力，当小球的重力势能与动能相等时，物体离地面的高度记为h2，则h2 ＜ （填“＞”、“＝”或“＜”）。
【解答】解：（1）小球在下落过程中不受任何阻力，机械能是守恒的；物体离地面的高度记为h1时；减少的重力势能为转化为的动能：mg（H﹣h1），剩余的重力势能为：mgh1，动能和势能相等，则：mg（H﹣h1）＝mgh1，解得：h1；
（2）若小球在下落过程中要受到的空气摩擦阻力，机械能不守恒，减小的重力势能中的一部分转化为内能；根据能量守恒定律可知：mgH＝2mgh2+E内，则mgH＞2mgh2，解得：h2。
故答案为：（1）＝；（2）＜。
10．在探究“物体动能与其速度大小关系”的实验中，如图所示，同一个小车分别从同一斜面的不同高度由静止滑下，撞击静止在水平木板上的同一木块，木块被撞后在相同木板上运动一段距离后停下来，请你回答下列问题：
（1）小芳正确操作实验，观察到小车滑下的高度越高，木块运动的距离越 远 ，说明木块被撞后动能越 大 。木块在木板上运动过程中，第一次受到的摩擦力为f1，第二次受到的摩擦力为f2，则f1与f2的大小关系是f1 ＝ f2（选填“＞”、“＜”或“＝”）
（2）小芳利用上述器材探究“阻力对物体运动的影响”，为了完成该实验，还需要增加的器材有 毛巾 （选填“砝码”、“毛巾”或“弹簧测力计”）。每次让小车从同一高度由静止滑下，记下木块最终停在不同水平面上的位置，可知木块受到的阻力越小，运动的距离越 远 。
【解答】解：（1）实验的研究对象是小车，同一小车保证了质量相同，从斜面的不同高度由静止滑下，小车放置的位置越高，到达水平面的速度越大，木块被撞击后滑行得越远，说明小车的动能更大；由此可以得出结论：质量相同时，速度越大，物体的动能越大；
两次实验木块在滑动过程中，由于没有改变木块和接触面，所以木块受到的滑动摩擦力相同，即f甲＝f乙。
（2）探究“阻力对物体运动的影响”需要选择与接触面粗糙程度有关的毛巾。
根据实验现象可知，平面越光滑，说明小车受到的阻力越小，小车运动的路程越远。
故答案为：（1）远；大；＝；（2）毛巾；远。
实验次数
h0/m
h1/m
h2/m
小铁块上升的距离Δh/m
1
0.50
0.40
0.55
2
0.50
0.30
0.60
3
0.50
1.55
1.35
4
0.10
2.50
小球
小球质量
小球碰撞物体A时的速度
物体A被推动的距离
甲球
2m
v
S
乙球
m
2v
2S
实验序号
铅球代号
铅球质量/g
下落高度/m
陷入沙中的深度/m
①
A
200
0.5
0.1
②
B
400
0.5
0.25
③
C
200
1
0.2
④
D
200
1
0.2