Question

（2007?淄博模拟）一同学要研究轻质弹簧的弹性势能与弹簧长度改变量的关系，他的实验如下：在离地面高度为h的光滑水平桌面上，沿着与桌子边缘垂直的方向放置一轻质弹簧．其左端固定，右端与质量为m的一个钢球接触，当弹簧处于自然长度时，小钢球恰好在桌子边缘，如图所示．让钢球向左压缩弹簧一段距离后由静止释放，使钢球沿水平方向射出桌面，小球在空中飞行后落到水平地面，水平距离为s．
（1）请你推导出弹簧的弹性势能E_P与小钢球质量m、桌面离地面高度h，水平距离s等物理量的关系式．
（2）弹簧长度的压缩量x与对应的钢球在空中飞行的水平距离s的实验数据如下表：

从上面的实验数据，你猜测弹簧的弹性势能E_P与弹簧长度的压缩量x之间有何关系？为什么？

Answer 1

分析：（1）弹簧释放后，小球在弹簧的弹力作用下加速，弹簧与小球系统机械能守恒，小球离开桌面后，做平抛运动，根据平抛运动的知识可以求平抛的初速度，根据以上原理列式即可；
（2）先从实验数据得出弹簧的压缩量与小球的射程的关系，再结合第一小问中结论得到弹性势能与小球的射程的关系，最后综合出弹簧的弹性势能E_P与弹簧长度的压缩量x之间的关系．

解答：解：（1）释放弹簧后，弹簧储存的弹性势能转化为小球的动能
E_p=

1

2

mv²  ①
小球接下来做平抛运动，有
s=vt      ②
h=

1

2

gt²   ③
由①②③式可解得
E_p=

ms2g

4h

即弹簧的弹性势能E_P与小钢球质量m、桌面离地面高度h，水平距离s等物理量的关系式为

ms2g

4h

．
（2）由（1）的结论知：E_P∝s²，
题目表格中给定的数据可知s∝x，综上可知：E_P∝x²
故弹簧的弹性势能E_P与弹簧长度的压缩量x之间的关系为E_P∝x²．

点评：本题关键根据平抛运动的知识测定小钢球弹出的速度，得到弹性势能的数值，从而确定弹性势能与弹簧压缩量的关系．