探究物体的动能、势能跟哪些因素有关

耿相亦

机械能是一种常见的能量形式，包括动能和势能，而势能又包括重力势能和弹性势能。常见的关于机械能的探究实验有两个：“探究物体动能的大小跟哪些因素有关”“探究物体重力势能的大小跟哪些因素有关”。由于这两个实验的思路是相似的，下面以前一实验为例来说明实验的方法、注意事项等。

要点提炼

探究物体动能跟哪些因素有关的实验装置如图1所示：

1.实验采用了以下两种方法：

（1）转换法：根据物块被撞击后移动的距离的远近来反映钢球动能的大小。

（2）控制变量法：①让同一钢球从斜面上不同的高度由静止滚下，观察物块被撞击后移动的距离，来判断物体动能的大小与速度的关系;②让不同质量的钢球从斜面上相同的高度由静止滚下，观察物块被撞击后移动的距离，来判断物体动能的大小与质量的关系。

2.实验中应明确以下两点：

（1）让质量不同的钢球从同一位置释放的目的是控制钢球到达水平面的速度相同;

（2）让质量相同的钢球从不同位置释放的目的是改变钢球到达水平面的速度。

3.通过实验得到的结论：

质量相同的物体，速度越大，动能越大;运动速度相同的物体，质量越大，动能越大。

探究应用

例1 （2021·天津）兴趣小组的同学认为车祸的危害程度与汽车的动能大小有关，于是他们进行了如下探究：

【提出问题】汽车的动能大小跟什么因素有关？

【猜想假设】（1）由“十次车祸九次快”可猜想：汽车的动能可能跟________有关;由“安全驾驶莫超载”可猜想：汽车的动能可能跟__________有关。

【进行实验】（2）他们做了如图2所示的三次实验：用金屬球模拟汽车，让金属球从斜槽的某一高度由静止开始滚下，碰到水平面上的物块，将物块撞出一段距离。物块被撞击得越远，说明金属球到达水平面时的动能就越________。

【分析论证】（3）分析甲、丙两图的实验现象，可以初步得到的结论是：________。

【实践应用】（4）用甲、乙两图的实验现象所得到的结论，可以解释汽车 ________（选填“超载”或“超速”）行驶时危险性大的原因。

答案：（1）速度 质量 （2）大 （3）质量相同时，汽车的速度越大，动能越大 （4）超载

例2 （2021·苏州·常州）小明探究“重力势能与重物质量和下落高度的关系”，如下表所示，重物质量m < M。

（1）让重物自由下落到平放在细沙表面的小桌上，通过观察桌腿下陷的深度判断________（选填“小桌”或“重物”）的重力势能大小。

（2）由实验步骤________和________，可判断重力势能的大小和重物下落高度的关系。

（3）小明认为由实验步骤B和C，可判断重力势能的大小和重物质量的关系，该观点________（选填“正确”或“错误”），理由是 。

解析：（1）在实验探究过程中，通过观察桌腿下陷的深度来比较重物的重力势能的大小。（2）研究重力势能大小和高度的关系时，保证质量不变，改变小球的高度。由图知，步骤A、B可判断重力势能的大小和重物下落高度的关系。（3）B、C步骤中重物的质量、高度两个都是变量，不符合控制变量法，无法确定重力势能的不同是由质量不同引起的还是由高度不同引起的。

答案：（1）重物 （2）A B （3）错误 重物的质量、高度两个都是变量，无法比较

（作者单位：黑龙江省哈尔滨市宾县教师进修学校）