题目内容
【题目】小明在老师的指导下用小球和弹簧等器材进行了如下实验与探究(不考虑空气阻力,g取10N/kg):
让小球从某高度处由静止开始下落到竖直放置的轻弹簧上(如图甲),在刚接触轻弹簧的瞬间(如图乙),小球速度为5m/s。从小球接触弹簧到将弹簧压缩至最短(如图丙)的整个过程中,得到小球的速度
和弹簧缩短的长度△x之间的关系如图丁所示,其中A为曲线的最高点。已知该轻弹簧每受到0.1N的压力就缩短1cm,并且轻弹簧在全过程中始终发生弹性形变。
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(1)从小球接触弹簧到将弹簧压缩至最短的过程中,小球动能的变化情况是_________,小球机械能的变化情况是______________。
(2)实验中所用小球的质量为_____kg,全过程中,弹簧中弹力的最大值为_____N。
(3)由图可知,当弹簧的压缩量最大时,小球的速度为0,此时,小球处于______态(选填“平衡”或“非平衡”)。
(4)已知物体的重力势能表达式为EP=mgh,动能表达式为:
;其中m为物体的质量,h为物体距离水平地面的高度,v为物体的运动速度,g为常量,取10N/kg。若本题中弹簧的原长为1m,则本题的小球是从距离地面________m的位置下落的。
【答案】先增加后减小 不变 0.1 6.1 非平衡 2.25
【解析】
(1)[1][2]小球刚接触弹簧时,弹簧发生形变,产生弹力,此时小球的重力大于弹力,小球做加速运动,这一过程小球动能增大,随着弹簧的形变程度越来越大,弹力增加,当弹力等于小球重力时,小球所受合力为0,小球停止加速,此时速度最大,动能最大,下一时刻,小球由于惯性继续向下运动,弹力大于球的重力,小球做减速运动,动能减小,弹性势能增加,最低点时,小球的动能为0,重力势能最小,弹性势能最大。故小球动能的变化情况是先增大后减小,小球的动能和重力势能转化为弹簧的弹性势能,机械能守恒,机械能不变。
(2)[3]弹簧每受到0.1N的压力就缩短1cm,由丁图可知速度最大时,弹簧的弹力和重力相等,此时弹簧缩短了0.1m,合10cm则此时受到弹力
F=10×0.1N=1N
由
得出小球的质量
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[4]小球在最低点时,弹簧的弹力最大,由丁图知此时弹簧被压缩0.61m,合61cm则弹力最大为
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(3)[5]小球在最低点时,受到竖直向下的重力,竖直向上的弹力,此时弹力大于重力,小球受力不平衡,处于非平衡状态。
(4)[6]由能量守恒定律可知,小球从最高处下落,到小球刚接触弹簧,弹簧还未发生形变那一刻,不考虑空气阻力时,机械能守恒,即
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由丁图可知此时小球速度为5.0m/s,代入式中有
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弹簧原长1m,所以小球距离底面的高度
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