用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能.将弹簧放置在水平气垫导轨上,左端固定,右端在O点;在O点右侧的B、C位置各安装一个光电门,计时器(图中未画出)与两个光电门相连.先用米尺测得B、C两点间距离x,再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A,静止释放,计时器显示遮光片从B到C所用的时间t,用米尺测量A、O之间的距离x.
(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是——.
(2)为求出弹簧的弹性势能,还需要测量——.
(3)增大A、O之间的距离x,计时器显示时间t将——.
相关知识:
发生弹性形变的物体的各部分之间,由于有弹力的相互作用,也具有势能,这种势能叫做弹性势能。同一弹性物体在一定范围内形变越大,具有的弹性势能就越多,反之,则越小。
物体由于发生弹性形变,各部分之间存在着弹性力的相互作用而具有的势能叫做“弹性势能”。在工程中又称“弹性变形能”。例如,被压缩的气体、拉弯了的弓、卷紧了的发条、拉长或压缩了的弹簧都具有弹性势能。
弹性势能是存储在材料或物理系统的构造中的潜在机械能,因为执行工作以扭曲其体积或形状。当需要压缩和拉伸或大体上以任何方式变形时,弹性能量就会发生。弹性理论主要发展为固体和材料力学的形式(注意,拉伸橡皮筋所做的工作不是弹性势能的一个例子,它是熵弹性的一个例子)弹性势能方程用于机械平衡位置的计算。
势能的单位与功的单位是一致的。确定弹力势能的大小需选取零势能的状态,一般选取弹簧未发生任何形变,而处于自由状态的情况下其弹力势能为零。弹力对物体做功等于弹力势能增量的负值。即弹力所做的功只与弹簧在起始状态和终了状态的伸长量有关,而与弹簧形变过程无关。弹性势能是以弹力的存在为前提,所以弹性势能是发生弹性形变,各部分之间有弹性力作用的物体所具有的。如果两物体相互作用都发生形变,那么每一物体都有弹性势能,总弹性势能为二者之和。
弹性的本质是可逆性。应用于弹性材料的力将能量转移到材料中,在将能量转移到其周围环境之后,能够恢复其原始形状。然而,所有材料对于它们可以承受的变形程度都有限制,而不会破坏或不可逆地改变其内部结构。因此,固体材料的特征包括通常在应变方面的弹性极限的规格。超过弹性极限,材料不再以弹性能量的形式储存在其上进行的机械作业的所有能量。
弹性势能可与动能直接相互转化,但不能与重力势能直接转化。核心或实质:(势能和动能间之间可直接转化,但势能不能与势能直接相互转化,就是说不可能在动能不变的情况下转化)
解:(1)滑块离开弹簧后的运动可视为匀速运动,故可以用BC段的平均速度表示离开时的速度;则有:v=xt;
(2)弹簧的弹性势能等于物体增加的动能,故应求解物体的动能,根据动能表达式可知,应测量滑块的质量;故选:C.
(3)增大AO间的距离时,滑块被弹出后的速度将增大,故通过两光电门的时间将减小;
故答案为:(1)xt;(2)C;(3)B.
要点解析:
明确实验原理,知道测量弹性势能的方法是利用了功能关系,将弹性势能转化为了滑块的动能;根据速度公式可求得弹出后的速度;再根据实验原理明确应测量的数据;同时根据弹性势能的决定因素分析AO变化后速度变化.
考点点评:
本题利用机械能守恒来探究弹簧的弹性势能的大小,要注意明确实验原理,知道如何测量滑块的速度,并掌握物体运动过程以及光电门的使用方法.