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【期末专项】专题5：探究重力势能、弹性势能的影响因素 实验探究题
题型一:探究重力势能的影响因素
1．如图所示，某同学为探究重力势能大小与质量和高度的关系，设计了如下实验装置，斜面与水平面摩擦可忽略不计，请回答：
（1）将小球从斜面由静止释放后进入水平面，最后压缩弹簧，记录小球速度减为0时弹簧的长度。本实验通过“小球速度减为0时弹簧的长度”来反映 　（填“动能”“重力势能”或“弹性势能”）的大小。
（2）将同一小球先后从同一斜面的不同高度h1、h2（h1＜h2）处由静止释放，弹簧被压缩后的长度分别为l1、l2（l1＞l2），则得出的结论是　 　。
（3）若要用该装置探究动能大小与物体质量的关系，将不同质量的小球从斜面的同一高度静止释放，记录小球速度减为0时弹簧的长度。该实验中“不同质量的小球从斜面的同一高度静止释放”目的是为了控制　 　相同。
（4）实验得出重力势能大小与质量和高度的关系后，该同学发现这套装置可以使小球反向运动，他用不同质量的小球将弹簧压缩至相同长度后静止释放，则质量大的小球在斜面上最终上升的高度更　 　（填“大”或“小”）。
2．小乐在探究“重力势能大小的影响因素”的实验中用到三个体积相同的小球，小球质量m1（1）本实验主要运用的科学方法是控制变量法与　 　（选填“转换法”或“类比法”）
（2）本实验是通过观察　 　来判断重力势能的大小。
（3）通过比较甲和乙、乙和丙的多次实验结果，可以得出结论：　 　。
3．高空抛物被称为“悬在城市上空的痛”。某同学想知道高空下落的重物具有的重力势能与哪些因素有关，进行了以下探究。
【提出问题】
物体的重力势能与哪些因素有关？
【建立假设】
假设一：物体的重力势能可能与物体的质量有关。
假设二：物体的重力势能可能与物体的下落高度有关。
【实验设计】
某小组设计了如图甲所示的实验装置。将小球在一定高度静止释放，小球撞击杯子后，会随杯子一起向下运动一段距离。实验中可利用夹子标记球和杯子的位置。
（1）在验证假设一时，为了确保小球下落高度相同，应采用　 　（选填“乙”或“丙”）释放方式进行实验。
（2）请你利用上述实验器材设计实验验证假设二，写出实验方案（可结合图进行说明）。　 　。
4．如图实验为探究重力势能大小与物体质量和高度的关系，请回答下列问题。
（1）将铁球从斜面由静止释放后到压缩弹簧，记录铁球速度减为0时弹簧的长度。整个过程涉及的能量转化情况为　 　，铁球重力势能的大小可以用被压缩后弹簧的长度来反映，弹簧长度越长，则说明铁球的重力势能越　 　（填“大”或“小”）。
（2）将同一铁球先后从同一斜面的不同高度h1、h2（h1l2），则你能得出的结论是　 　。
（3）若要探究重力势能大小与物体质量的关系，请简要写出你的设计思路：　 　。
5．小北与同学“探究物体下落时，其重力势能和动能的变化规律”。实验时，将铁球从某一高度静止释放，依次经过竖直方向上A、B、C、D、E、F、G各点，记录经过各点时的离地高度，重力势能，速度和动能，实验数据如下表：
高度（米） 重力势能（焦耳） 速度（米每秒） 动能（焦耳）
A点 2.0 19.6 1.4 1.0
B点 1.6 15.7 3.1 4.9
C点 1.4 13.7 3.7 6.9
D点 1.2 11.8 4.2 8.8
E点 0.8 　 5.0 12.7
F点 0.4 3.9 5.8 16.7
G点 0.2 2.0 6.1 18.6
（1）将铁球下落时的动能与速度的关系图线绘制在如图图像中，分析图可知：物体的动能与其速度　 　正比例关系（选填“成”或“不成”）；
（2）根据表中数据，将表中E点的重力势能数据补充完整。　 　；
（3）研究表中数据得出如下结论：物体下落时，重力势能减小，动能增大，动能和重力势能之和保持不变。小科同学觉得此结论与某些运动情景不符。请例举书本中的一个实验，说明该结论并不适用所有情境。　 　；
（4）小北利用如图来研究动能和势能相互转化，一个光滑的弧形槽（不计空气阻力），钢球从弧形槽a点以初速度出发，运动到c点，比较三点的速度大小　 　。
6．小舟从铅球下落陷入沙坑的深度情况猜想到：物体的重力势能可能与物体的质量、下落高度和运动路径有关。于是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，其中A、C、D三球的质量为m，B球质量为2m，让A、B两球从距沙表面高H处静止下落，C球从距沙表面高2H处静止下落，D球从距沙表面高2H的光滑弯曲管道上端静止滑入，最后从管道下端竖直地落下(球在光滑管道中运动的能量损失不计)。实验测得A、B两球陷入沙深度分别为h1和h2，C、D两球陷入沙深度均为h3，且
（1）本实验中，将铅球的重力势能大小通过　 　来反映，此方法运用了科学探究方法中　 　法。
（2）比较A、B两球，发现B球陷入沙深度更大，由此可得出结论：　 　；
（3）比较C、D两球，发现两球运动的路径不同，但陷入沙深度相同，由此可得出结论：物体的重力势能与物体运动的路径　 　(选填：“有关”或“无关”)
7．小金探究重力势能大小与物体质量和高度的关系，实验装置如图甲所示（摩擦力忽略不计）。
（1）将铁球从斜面静止释放后，滚动到水平面压缩弹簧，记录相关数据。铁球重力势能的大小可以用 　 　来反映；
（2）将同一铁球先后从同一斜面的不同高度h1、h2（h1l2），能得出的结论是　 　；
（3）若要利用实验中的斜面和弹簧探究重力势能大小与物体质量的关系，请简要写出你的设计思路：　 　；
（4）结合本实验和所学知识，分析图乙所示的水坝，在　 　位置（选填“C”或“D”）更适合打通管道安装发电机。
8．高空抛物被称为“悬在城市上空的痛”。物体因具有较大的重力势能，使得高空抛物存在巨大的安全隐患。
【提出问题】物体的重力势能与哪些因素有关？
（1）【建立假设】假设一：物体的重力势能与物体的质量有关。假设二：物体的重力势能与　 　有关；
（2）【实验设计】为了验证猜想设计了如图所示的实验装置。将不同小球从装置的一定高度自由释放，利用夹子标记球和杯子的位置，测量小球高度和杯子下推运动的距离，数据记录如下表所示。该实验物体的势能大小是通过　 　来反映的；
序号 小球质量m/g 小球下落高度h/cm 杯子运动的距离s/cm
1 10 10 8.5
2 10 20 9.2
3 10 30 10.4
4 20 20 11.8
5 30 20 12.6
（3）【得出结论】通过比较实验序号为　 　的三组数据，可得出结论：当下落高度一定时，物体质量越大，重力势能越大；
（4）【评价交流】严谨的科学态度在科学研究中至关重要，请你对本次实验提出一项改进的意见：　 　
9．如图所示，用装有细沙的容器、桌面粘有橡皮泥的三条腿小桌和质量不同的木块做“探究重力势能大小与哪些因素有关”的实验。
（1）该实验是通过观察比较　 　来间接判断物体重力势能大小的。
（2）实验中采用质量不同的木块，是为了探究物体重力势能大小与物体　 　的关系，操作时应该让木块从　 　(选填“相同”或“不同”)的高度自由下落。
（3）若要探究物体重力势能大小与物体高度的关系，让质量相同的的木块从　 　自由下落砸到小桌表面上，观察小桌腿陷入细沙中的深度。
题型二:探究弹性势能的影响因素
10．探究影响物体弹性势能大小的因素，选择弹簧进行研究。将光滑水平面与光滑斜面连接，如图：
①将甲弹簧放置在水平面上，用小球压缩弹簧2厘米，释放后，小球滚上A斜面，记录小球在斜面最高点时高度，重复三次，取平均值记录在下表中。更换B斜面，重复实验。
②压缩甲弹簧3厘米，重复实验①步骤。③换用不同弹簧，重复实验①步骤。
实验 序号 弹 簧 弹簧长 度/厘米 弹簧 材料 压缩量 /厘米 小球在斜面A上高度/米 小球在斜面B上高度/米
1 甲 20 合金1 2 0.18 0.18
2 甲 20 合金1 3 0.40 0.40
3 乙 20 合金2 2 0.22 0.22
4 丙 30 合金1 2 0.12 0.12
5 丁 30 合金2 2 0.15 0.15
（1）实验中，通过观察　 　判断弹簧弹性势能的大小。
（2）比较　 　（选填实验序号），说明弹簧的弹性势能大小与弹簧的形变大小有关。
（3）由实验结果可知，弹簧的弹性势能大小还与弹簧的　 　有关。
11．物体G和弹簧相连固定于墙壁上，当物体处于位置B处弹簧没有形变，用力将其拉至C处，松手后物体从C点出发在C、A之间往返运动并最终停留在某处，停留时弹簧弹性势能为0。则
（1）由C到B时，弹簧的弹性势能　 　（填“不变”、“增大”或“减少”）；
（2）物体在CA之间运动过程中，物体动能最大的点位于　 　（选填“B点”、“AB之间”或“BC之间”）；
（3）物体最终停留在　 　（选填“B点”、“AB之间”、“BC之间”）。
12．小南拿如图甲所示的装有弹簧的笔玩弹笔游戏，结果发现不同的笔弹得高低不一样，他认为：笔弹起的高度与笔内弹簧的弹性势能的大小有关，那么弹簧弹性势能的大小又跟什么因素有关呢
猜想①弹簧弹性势能的大小可能跟它的材料有关；
猜想②弹簧弹性势能的大小可能跟它弹性形变的程度有关。
（1）在上面的实验中，他们将用到　 　和　 　两种物理思想方法。
（2）为了验证猜想①，在操作时除了控制小球、木块、水平面等相同外，还需要控制　 　相同。
（3）实验中可以用　 　表示“弹性势能的大小”。
（4）在完成实验后，小南又用不同质量的小球(m1>m2)在同一水平面上分别压缩同一根弹簧至相同位置后释放撞击同一木块，得到木块移动的距离分别为S1和S2，忽略小球自身摩擦对实验的影响，则S1　 　S2(填“大于”、“等于”或“小于”)。
13．学习了能量转化知识之后，小明为探究质量对能量转化的影响做了如下实验，将光滑水平面与光滑斜面连接。弹簧一端固定在木板上，小车将弹簧压缩至A位置后被释放，小车沿水平面运动并滑上斜面至B位置（不计空气阻力），如图所示，回答下列问题：
（1）压缩弹簧松手后，弹簧的弹性势能转化为小车的　 　；
（2）换用质量更大的小车，同样压缩弹簧至A位置后被释放，小车　 　（选填“能”或“不能”）滑至斜面B位置，并说明理由　 　。
14．公园中的蹦床项目深受儿童喜爱，如图甲所示，用小球和弹簧模拟此过程。将小球从弹簧正上方某处静止释放，小球所处高度h随时间变化的情况如图乙所示。小球最终静止在弹簧上，此时弹簧长为40厘米。
（1）弹簧原长　 　40厘米（填“＞”“<”或“=”）；
（2）该小球在空中下落时，是把　 　能转化为动能和内能；在整个运动过程中，小球速度最大的时刻为　 　（填“”“”或“”）。
15．在探究弹性势能的大小跟弹簧被压缩的程度有关时，小舟选用同一弹簧、小球、木块和长刻度尺等器材，设计如图所示的实验装置进行了探究。
（1）由于弹性势能的大小不便用仪器测量，本实验中弹性势能的大小通过木块移动的距离来体现，本实验中也用到此方法的是　 　(填序号)。
①探究“杠杆的平衡条件”
②研究“电热跟哪些因素有关”
③探究“影响导体电阻大小的因素”
④探究“影响电磁铁磁性强弱的因素”
（2）小舟的实验数据记录如下表，若实验结果为　 　(比较s1、s2、s3的大小)，则说明弹簧被压缩的程度越大，弹性势能也越大。
序号 弹簧被压缩的长度/cm 木块移动距离s/cm
① 2 S1
② 5 S2
③ 8 S3
（3）若要研究弹性势能的大小与弹簧的材料是否有关，应将不同材料的弹簧压缩到　 　(选填“相同”或“不同”)长度进行实验。
（4）小舟继续用该装置来探究物体动能大小与质量的实验，设计了如下实验方案：用质量不同的钢球将同一弹簧压缩相同程度，静止释放，撞击相同位置的同一木块，比较木块被撞击后移动的距离。小普同学从能量转化的角度分析，认为该方案不可行，其理由是　 　。
16． 某项目化小组准备探究弹簧弹性势能的大小与什么因素有关 他们猜想：弹簧弹性势能可能与弹簧长度变化量、弹簧螺纹圈直径、弹簧的材料等因素有关。如图所示是探究实验装置：把弹簧放在水平面上，其左端固定在墙上，AO等于弹簧原长，水平面O点左侧光滑，右侧粗糙。将物体M从O点压缩弹簧到P点，然后由静止释放，当物体M运动到O点与弹簧分开，最终运动到Q点静止。请分析回答：
（1） 弹簧弹性势能的大小是通过　 　来衡量的。
（2） 探究弹簧弹性势能与弹簧长度变化量的关系，应选用　 　(选填“相同”或“不同”) 弹簧进行实验，并先后改变　 　之间的距离，测出OQ的距离，重复实验，测量多组数据并记录。
（3）下述实验中用到的科学方法与本实验中判断势能大小方法相同的是____。
A．研究声音产生时，将发声的音叉与水面接触，水花四溅表明音叉在振动
B．研究压力作用效果与压力大小关系时，控制受力面积相同
C．研究磁场时，引入磁感线来描述磁场的分布
17．如图甲所示是我们常见的按压式圆珠笔，小明利用圆珠笔开展了以下实验研究；
实验一：研究弹簧弹力与压缩量的关系，实验数据记录如下表：
序号 钩码质量（g） 弹簧压缩量x（mm） 弹簧弹力F（N） k
1 50 2 0.5 0.25
2 100 4 1 0.25
实验二：先将笔倒立向下按压然后放手，笔将向上弹起一定的高度；弹跳过程可以分为三个阶段：
①把笔竖直倒立于水平硬桌面，下压外壳使其下端接触桌面（见位置a）；
②由静止释放，外壳竖直上升，弹簧恢复到原长（见位置b）；
③笔继续上升到离桌面2cm的最高处（见位置c）开始下落；
（1）实验一表中的“k”应该填入的项目是：　 　；
（2）为使得到的实验结论更可靠，需进行　 　；
（3）笔在上升过程中，笔的外壳的最大速度处于位置　 　之间；（选填“ab”或“bc”）
（4）若不计一切摩擦，请说明从a到b到c位置笔的内芯的机械能变化情况？　 　。
18．某项目化学习小组为了制作弹簧测力计，对 A、B 两根不同的弹簧进行了探究：将弹簧的一端固定，另一端悬挂钩码(如图甲所示)，记录弹簧受到的拉力F和弹簧的伸长量△x，根据多组测量数据作出的图像如图乙所示。
（1）当钩码挂在弹簧上，钩码下降，其减小的重力势能转化为弹簧的　 　。 (不计阻力)
（2）当在弹簧 A 上悬挂重力为8 牛的物体时，弹簧伸长量为　 　厘米。
（3）若分别用这两根弹簧制成弹簧测力计，则用弹簧　 　(填“A”或“B”)制成的测力计量程大。
（4）若用B弹簧制成的弹簧测力计最小刻度为 0.2N，则相邻刻度线之间的距离为　 　cm。
答案解析部分
1．【答案】（1）重力势能
（2）物体质量一定时，高度越高，重力势能越大
（3）小球撞到弹簧时的速度
（4）小
2．【答案】（1）转换法
（2）橡皮泥凹陷程度
（3）物体的质量越大，下落的高度越大，物体的重力势能越大
3．【答案】（1）乙
（2）假设二：物体的重力势能可能与物体的下落高度有关。利用上述实验器材，选择质量相同的小球，从不同高度释放，小球撞击杯子后，观察杯子一起向下运动一段距离
4．【答案】（1）重力势能→动能→弹性势能；小
（2）在质量不变的条件下，高度越高，物体的重力势能就越大
（3）将质量不同的两个铁球从同一斜面的同一高度处由静止释放，观察并比较弹簧被压缩的长度，然后得出结论
5．【答案】（1）不成
（2）7.9
（3）滚摆在摆动过程中，上升的最大高度在不断变小（或者单摆等合理即可）
（4）va=vc＜vb
6．【答案】（1）球陷入沙面的深度；转换
（2）当所处高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大
（3）无关
7．【答案】弹簧被压缩的长度；质量相同，高度越大，重力势能越大；质量不同的小球从同一斜面的同一高度静止释放，比较弹簧压缩后的长度；D
8．【答案】下落的高度（被举高的高度）；杯子运动距离的大小；2、4、5；选择相同体积不同质量的小球进行实验（或选择小球下缘为起点测量下落高度）
9．【答案】（1）小桌腿陷入细沙中的深度
（2）质量；相同
（3）不同高度
10．【答案】（1）小球到达斜面的高度
（2）1，2
（3）长度，材料
11．【答案】减少；BC之间；B
12．【答案】（1）控制变量法；转换法
（2）弹簧的（弹性）形变程度
（3）木块被小球推动的距离
（4）等于
13．【答案】机械能；不能；质量大的小车到达的高度会低一点，所以小车不能滑至斜面B位置
14．【答案】（1）＞
（2）重力势能；
15．【答案】（1）②③④
（2）
（3）相同
（4）弹簧压缩相同程度时弹性势能相同，转化为钢球的动能相同，导致木块移动距离相同，无法比较动能与质量的关系
16．【答案】（1）物体M 被弹出的距离
（2）相同；OP(或AP)
（3）A
17．【答案】弹簧弹力与压缩量的比值（N/mm）；换用不同的弹簧多次实验；ab；a到b机械能不变，b到c机械能增大
18．【答案】（1）弹性势能
（2）16
（3）B
（4）0.2
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