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专题 08 机械能相关实验
【知识储备】
探究1：探究动能与哪些因素有关
1、本实验研究是小车的动能与哪些因素有关。
2、本实验通过木块被推动的距离体现小车的动能，
此方法称为转换法。
3、图A是要探究动能大小与速度的关系，要探究动
能大小与质量的关系，应该将小车从斜面的同一高度静止释放。目的是控制小车速度相等，这
个过程中用到了控制变量法。
探究2：探究重力势能与哪些因素有关
1、本实验通过木桩下陷的深度体现重物的重力势能。
2、要探究重力势能与质量的关系，应将质量不同的重物
从相同高度自由下落，撞击木桩，比较木桩下陷的深度。
3、要探究重力势能与高度的关系，应将同一物体从不同
高度自由下落，撞击木桩，比较木桩下陷的深度。
探究3：探究弹性势能与弹性形变程度的关系
由实验可得到结论：相同条件下，弹性形变程度越大，弹性
势能越大
【专题突破】
1．图甲图实验是探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验装置，图乙图实验是探究“阻力
对物体运动的影响”的实验装置。
（1）甲、乙两个实验都是让物体从同一斜面相同高度静止放下，目的是让物体到达水平面的
速度 相同，甲、乙两个实验都用到了实验探究中的两种重要方法：转换法和 控制变量法 。（2）甲组实验是探究动能和 质量 的关系，结论 当速度一定时，质量越大，动能越大 。
（3）在乙组实验中多次改变水平面的粗糙程度，当水平面粗糙程度越小时，小车运动越 远
，推理得出：如果水平面绝对光滑，小车将永远做 匀速直线运动 。
【解答】解：（1）甲、乙两个实验都是让物体从同一斜面相同高度静止放下，目的是让物体到
达水平面的速度相同；
甲图中，用看得见的物体移动的距离来表示看不见的动能的大小，而乙图中，通过看得见的小
车运动的距离来表示看不见的阻力，都运用了转换法；
两实验中，都控制物体从同一高度自由下滑，是为了保证物体到水平面时的速度相同，两个实
验都运用了控制变量法；
（2）让不同小球从同一斜面相同高度静止放下，撞击木板上的木块，这是控制了速度相同，质
量不同，目的是探究物体的动能与质量的关系，且小球质量越大推动木块移动的距离越远，故
能得出的结论是：当速度一定时，质量越大，动能越大；
（3）接触面粗糙程度越小，物体所受摩擦力越小，物体运动得越远，可推理得出：如果水平面
绝对光滑，小车将永远做匀速直线运动。
故答案为：（1）速度；控制变量法；（2）质量；当速度一定时，质量越大，动能越大；（3）
远；匀速直线运动。
2．在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让 a、b的两个小球分别从同一斜面上由
静止滚下，小球撞击放在水平木板上的同一木块，使木块滑动，虚线位置为木块滑动一段距离
后停止的位置。
（1）小球进入水平面时的动能是由 重力势能 转化来的。实验时通过 木块被推动的距离
大小 来比较动能大小。
（2）分析甲图和乙图两组实验，可以探究动能与 速度 有关。
（3）木块最终会停下来的主要原因是 受到阻力（或摩擦力）的作用 ，在此过程中木块通过
做功 方式把动能转化为内能。
（4）根据乙图和丙图所示实验， 能 （选填“能”或“不能”）比较出a、b两个小球哪个质
量更大，你判断的理由是 b 球到水平面的速度较小，却将木块推的远，动能大，可见 b 球质量
一定大 。
（5）如果木板过于光滑的，则更 不利于 （选填“利于”或“不利于”）完成本实验。【解答】解：（1）由图知，两个小球分别从同一斜面上由静止滚下，小球的质量不变，高度变
小，重力势能减小，速度变大，动能变大，重力势能转化为动能；
实验中小球推动木块运动，推动的距离越远，表示小球能够做的功越多，小球具有的动能就越
大，所以通过观察木块被推动的距离的大小，来判断小球动能的大小；
（2）在甲、乙两图中，使用同一个小球放置在不同的高度，控制了质量一定，改变了速度，所
以甲、乙两图可以探究动能大小与速度的关系；
（3）由于木块受到阻力（或摩擦力）的作用，所以木块最终会停下来；在此过程中木块通过做
功方式把动能转化为内能；
（4）根据乙图和丙图所示实验，能比较出a、b两个小球哪个质量更大，判断的理由是b球到水
平面的速度较小，却将木块推的远，动能大，可见b球质量一定大；
（5）若木板过于光滑，木块将接近匀速直线运动，木板距离太短，木块容易滑出木板，无法对
比木块被推动的距离远近，所以不利于完成本实验。
故答案为：（1）重力势能；木块被推动的距离大小；（2）速度；（3）受到阻力（或摩擦力）
的作用；做功；（4）能；b球到水平面的速度较小，却将木块推的远，动能大，可见b球质量
一定大；（5）不利于。
3．在“探究影响动能大小的因素”实验中，如图甲、乙、丙所示，让质量为m、2m的两个钢球分
别从斜面上由静止滚下，钢球撞击放在水平木板上的木块，使木块滑动，虚线位置为木块滑动
一段距离后停止的位置。
（1）实验通过观察 木块移动的距离 来比较动能的大小；
（2）甲、乙两次实验中，将同一小球从斜面的不同高度由静止释放，这是为了探究动能大小与
速度 的关系；
（3）比较甲、丙两图进行的实验，得出的结论是 当物体的速度一定时，质量越大，它具有的
动能就越大 。
（4）小磊在探究“动能大小与质量的关系”时将实验装置改进成如图丁所示，利用质量不同的铁球将弹簧压缩相同程度静止释放，撞击回一木块，该实验方案是 不可行 （选填“可行”
或“不可行”），理由是： 没有控制小球的速度相同 。
【解答】解：（1）通过观察木块被撞击后移动的距离来判断钢球动能大小，这是转换法的应用；
（2）在甲、乙两图中，将同一小球从斜面的不同高度由静止释放，控制了质量一定，改变了速
度，所以甲、乙两图可以探究动能大小与速度的关系；
（3）由图示实验可知，甲、丙两次实验，将不同小球从斜面的相同高度由静止释放，控制了速
度一定，丙小球的质量是甲小球的两倍，丙小球将木块推动得更远，说明丙小球的动能更大，
所以得出的结论：当物体的速度一定时，质量越大，它具有的动能就越大；
（4）观察图丁的装置可知，若用质量不同的铁球将同一弹簧压缩相同程度后静止释放，撞击同
一木块，撞击的动能由弹簧的弹性势能转化而来，而弹簧的弹性势能的大小与形变程度有关，
故弹簧势能相同，转化出的动能相同，因两球质量不同，所以撞击木块的速度不同，故不可行，
原因是没有控制小球的速度相同。
故答案为：（1）木块移动的距离；（2）速度；（3）当物体的速度一定时，质量越大，它具有
的动能就越大；（4）不可行；没有控制小球的速度相同。
4．如图是小明探究“动能大小与哪些因素有关”的实验装置。
（1）在探究小车速度对其动能的影响时，应保持 质量 不变，使小车多次从 不同 （选
填“相同”或“不同”）高度下滑进行实验。
（2）小明两次实验操作，第一次木块被撞得近，木块受到的摩擦力为 f ；第二次木块被撞得远，
1
木块受到的摩擦力为f ，则f ＝ f （选填“＞”“＝”或“＜”）。
2 1 2
（3）如果水平面绝对光滑，本实验 不能 （选填“仍能”或“不能”）达到探究目的。
【解答】解：（1）在探究动能与速度的关系时，要保持小车的质量不变，让小车从斜面的不同
高度滑下，那么小车到达水平面时的速度就不同；
（2）木块移动的距离不同，但木块压力大小和接触面的粗糙程度不变，摩擦力大小不变，两次
实验中木块受到的摩擦力大小相同，故f ＝f ；
1 2
（3）如果水平面绝对光滑，由牛顿第一定律，小球和木块将做匀速直线运动，将无法通过比较
木块被推动后移动的距离来比较小球动能的大小，因此不能达到探究目的。
故答案为：（1）质量；不同；（2）＝；（3）不能。5．初三的小明同学学习完各种能量之后，对各种能量的大小特点产生了浓厚的兴趣。
（一）她猜想同一根弹簧具有的弹性势能大小可能与其形变量有关，于是进行如下实验：
①如图所示，把弹簧套在光滑竖直杆上，且底端固定在水平面上，用刻度尺读出并记录处于自
由状态时弹簧上端距水平面的高度h ；
0
②将中间有孔的小铁块套在光滑杆上放于弹簧上端，竖直向下按压铁块，读出并记录此时弹簧
上端到水平面的高度h ；
1
③释放小铁块，读出并记录铁块上升到最大高度时，铁块下端到水平面的高度h ；
2
④改变弹簧的压缩长度h ，重复以上步骤请你解答：
1
实验次数 h /m h /m h /m 小铁块上升的距
0 1 2
离Δh/m
1 0.50 0.40 0.55
2 0.50 0.30 0.60
3 0.50 1.55 1.35
4 0.10 2.50
（1）弹簧每次被压缩时的形变量的表达式为 h ﹣ h （用所测物理量的符号表示）；
0 1
（2）弹簧弹性势能的大小是通过 铁块上升的高度（ h ﹣ h ） 来间接反映的；
2 1
（3）根据表中数据得到的结论是同一根弹簧弹性势能的大小与 形变量的平方 成正比；
（二）意犹未尽的小明又探究起了动能的大小，她在咨询了的物理老师后，得知物体动能 E 的
A
1
计算公式是 mv2。于是她让质量为m的物块以初速度v 在粗糙的水平面上运动，经过多次实验，
0
2
测出多组不同的初速度v 与滑块在水平面上滑行对应的最大距离s，对数据进行分析后，解答下
0
面的问题：
1
（4）由动能E 的计算公式 mv2知，对动能影响较大的是 速度 （选填“质量”或“速
A
2
度”）；
（5）当物块的初速度为2m/s时，滑行的最大距离为1m，则当物块的初速度为4m/s时，滑行的
最大距离是 4 m；
（6）已知在水平面上运动的物块受到的摩擦力大小与压力成正比，则当物块初速度相同，增加
物块的质量，物块滑行的最大距离 不变 （选填“增大”或“减小”或“不变”）。【解答】解：
（1）弹簧的形变量h等于弹簧的原长度h 减去弹簧被压缩后的长度h ，即h＝h ﹣h ；
0 1 0 1
（2）实验中弹性势能的大小是通过铁块被弹起的高度来间接反映的，即铁块到达的最高点h 减
2
去弹簧被压缩的最低点h ，即h ﹣h ；
1 2 1
（3）由表中数据分析可知Δh＝15x2，即△h与x2成正比例函数关系，即弹簧弹性势能的大小与
形变量的平方成正比；
1
（4）由动能E 的计算公式 mv2可知，动能的大小与质量成正比、与速度的平方成正比，所以
k
2
对动能影响较大的是速度；
1
（5）由题可知，物块克服摩擦力做功的最大值等于物块初动能，即fs= mv 2；
0
2
物块在同一水平面上以不同速度滑行，由影响摩擦力大小的因素可知，摩擦力大小不变，
当物块的初速度为2m/s时，滑行的最大距离为1.0m，则有：
1
fs = mv 2﹣﹣﹣﹣﹣﹣①
1 1
2
当物块初速度为4m/s时，设滑行距离为s ，则有：
2
1
fs = mv 2﹣﹣﹣﹣﹣﹣②
2 2
2
其中v ＝2m/s，v ＝4m/s，s ＝1.0m，
1 2 1
联立①②并代入数据可得，s ＝4m；
2
（6）根据题意可知，f＝kmg﹣﹣﹣﹣﹣﹣③
1
fs= mv2﹣﹣﹣﹣﹣﹣④
2
1
mv2
④÷③可得：s 2 v2 ，由于k、g均为常数，所以物体运动的距离大小与物体的初速度
= =
kmg 2kg有关，与物体的质量无关；则当物块初速度相同，增加物块的质量，物块滑行的最大距离不变。
故答案为：（1）h ﹣h ；（2）铁块上升的高度（h ﹣h ）；（3）形变量的平方；（4）速度；
0 1 2 1
（5）4；（6）不变。
6．如图所示，是研究动能的大小跟哪些因素有关的实验，让钢球从斜面上滚下，打到一个木块上，
观察木块被推的距离。
（1）让同一钢球从不同的高度滚下时，原来的位置越高，滚到斜面下端时 速度 越大，把木
块推得越远，说明在钢球质量相同的情况下，钢球的 速度 越大，动能越大。
（2）让质量不同的钢球从同一高度滚下，滚到斜面下端时速度相同，钢球的质量越大，把木
块推得越远，说明在钢球速度相同的情况下，钢球的质量越大，动能越 大 。
（3）从这个实验可以得出结论：运动物体的质量越大，速度越大，其动能越 大
（4）下表中记录了用甲、乙两球分别进行实验的数据。由表中数据可知：甲球的动能 小于
（选填“大于”“小于”或“等于”）乙球的动能；在质量和速度两个物理量中，对动能影响
较大的是 速度 。
小球 小球质量 小球碰撞物体A时的速度 物体A被推动的距离
甲球 2m v S
乙球 m 2v 2S
【解答】解：
（1）根据生活经验可知，同一钢球从不同的高度滚下，位置高的滚到斜面底端的速度就大，把
木块推得越远说明运动的木块做功多，动能大，由此得出结论：在质量一定时，钢球的速度越
大，动能就越大；
（2）让质量不同的钢球从同一高度滚下，小球到达斜面底端时的速度就是一定的，质量大的把
木块推的远，说明了动能的大小和质量有关，在速度一定时，质量越大，动能也就越大；
（3）从这个实验可以得出结论：运动物体的质量越大，速度越大，其动能越大；
（4）物体动能的多少，可由它对外做功的多少来确定，而做功的多少，是通过木块运动距离的
长短来反映的，由表中数据可知：甲球推动物体A被推的距离小于乙球推动A的距离可知，甲
球的动能小于乙球动能；
由表中数据可知，甲的质量是乙的质量的2倍，乙的速度是甲的2倍，两者倍数相同，若这两个物理量对动能的影响程度相同，它们的动能也相同，而乙的动能大于甲的动能，所以，对动能
大小影响较大的因素是速度。
故答案为：（1）速度；速度；（2）大；（3）大；（4）小于；速度。
7．小夏同学在体育活动中，从铅球下落陷入沙坑的深度情况受到启发，并产生了如下猜想。
猜想一：物体的重力势能与物体的质量有关
猜想二：物体的重力势能与物体的下落高度有关
猜想三：物体的重力势能与物体的运动路径有关
为此小夏设计了如图所示的实验：用大小、形状相同的 A、B、C、D四个铅球分别从距离沙表
面某高度处静止释放，其中D球从光滑弯曲管道上端静止滑入，最后从管道下端竖直落下（球
在光滑管道中运动的能量损失不计）。
实验数据如下表：
实验序号 铅球代号 铅球质量/g 下落高度/m 陷入沙中的深
度/m
① A 200 0.5 0.1
② B 400 0.5 0.25
③ C 200 1 0.2
④ D 200 1 0.2
（1）本实验中，采用的研究问题的方法是 控制变量法 和 转换 法。
（2）本实验中，铅球的重力势能大小是通过 铅球陷入沙中的深度 来反映的。
（3）为验证猜想二，应比较 ① 和 ③ （填实验序号），得到的结论是：当物质量相同
时，高度越高，重力势能越 大 （选填“大”或“小”）。
（4）比较①②，可以验证猜想 一 （选填“一”、“二”或“三”）。
（5）比较③④，得到的结论是 当质量和下落高度相同时，重力势能与物体运动的路径无关
。
（6）经进一步实验和分析，小夏大胆给出重力势能（E ）的表达式“E ＝mgh”，并去办公室
p p
询问了老师，得以证实，小夏高兴不已，回到教室后，根据学过的知识又算出了各小球落到沙表面的动能，其中B球的动能为 2 J．（忽略空气阻力，g＝10N/kg）
【解答】解：
（1）（2）影响重力势能的因素有物体的质量和下落高度，研究重力势能与某个因素的关系时，
需控制另一个因素不变，所以该实验中用到了控制变量法；
本实验中，铅球的重力势能大小是通过铅球陷入沙中的深度来反映，这就是我们常说的转换法；
（3）为了验证猜想二：物体的重力势能与物体的下落高度有关，应控制小球的质量相同，高度
不同；结合图示和表格信息可知，应比较①和③两次实验；
A、C两球质量相同，下落高度不同，发现C球陷入沙中的深度更大，由此可得出结论：当物体
质量相同时，高度越高，重力势能越大；
（4）比较①②可知，A、B两球的质量不同，下落高度相同，可以验证猜想一：物体的重力势
能与物体的质量有关；
（5）比较③④可知，C、D两球的质量相同，下落高度也相同，两球的运动路径不同，发现两
球陷入沙中的深度相同，由此可得出结论：当质量和下落高度相同时，重力势能与物体运动的
路径无关；
（6）铅球在下落过程中，忽略空气阻力，铅球的重力势能转化为动能，
则根据E
p
＝mgh可得，B球落到沙表面时的动能：E动 ＝E
p
＝mgh＝0.4kg×10N/kg×0.5m＝2J。
故答案为：（1）控制变量法；转换；（2）铅球陷入沙中的深度；（3）①；③；大；（4）一；
（5）当质量和下落高度相同时，重力势能与物体运动的路径无关；（6）2。
8．如图所示，小球在不同场景做不同物理运动。请你根据所给条件回答以下问题。
（1）如图甲，质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，到达斜面底端的速
1
度为v ，此过程 重力势 能转化成 动 能，关系式mgh= mv2成立，则一个物体从高0.2m
0
2
的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为 2 m/s。（g＝10m/s2）
（2）如图乙，将物体以一定的初速度v 沿水平方向抛出（不计阻力），物体做平抛运动，在水
0
平方向做匀速直线运动，则水平方向的距离公式为 x ＝ v t （用图中字母符号表示），在竖直
01
方向下落得高度y= gt2，则y与t2的关系可用丙图中的图线 b 表示。
2
【解答】解：（1）质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，此过程中小球
的质量不变，高度变小，速度变大，故重力势能变小，动能变大，所以重力势能转化为动能；
因为质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，到达斜面底端的速度为v，过
程中机械能守恒，
1
所以，mgh= mv2，
2
将h＝0.2m，g＝10m/s2代入，解得，v＝2m/s；
1
（2）由y= gt2知，下落高度y与水平移动距离x的2次方成正比，由此可以判断曲线为b；
2
故答案为：（1）重力势；动；2；（2）x＝v t；b。
0
9．已知质量不变时，物体的重力势能与高度成正比。现有一小球从离地面高度为 H的空中由静止
开始下落。
（1）若小球在下落过程中不受任何阻力，当小球的重力势能和动能相等时，物体离地面的高度
H
记为h ，则h ＝ （填“＞”、“＝”或“＜”）。
1 1
2
（2）若小球在下落过程中要受到的空气摩擦阻力，当小球的重力势能与动能相等时，物体离地
H
面的高度记为h ，则h ＜ （填“＞”、“＝”或“＜”）。
2 2
2
【解答】解：（1）小球在下落过程中不受任何阻力，机械能是守恒的；物体离地面的高度记为
h 时；减少的重力势能为转化为的动能：mg（H﹣h ），剩余的重力势能为：mgh ，动能和势能
1 1 1
H
相等，则：mg（H﹣h ）＝mgh ，解得：h = ；
1 1 1
2
（2）若小球在下落过程中要受到的空气摩擦阻力，机械能不守恒，减小的重力势能中的一部分H
转化为内能；根据能量守恒定律可知：mgH＝2mgh
2
+E内 ，则mgH＞2mgh
2
，解得：h
2
＜ 。
2
故答案为：（1）＝；（2）＜。
10．在探究“物体动能与其速度大小关系”的实验中，如图所示，同一个小车分别从同一斜面的不
同高度由静止滑下，撞击静止在水平木板上的同一木块，木块被撞后在相同木板上运动一段距
离后停下来，请你回答下列问题：
（1）小芳正确操作实验，观察到小车滑下的高度越高，木块运动的距离越 远 ，说明木块被
撞后动能越 大 。木块在木板上运动过程中，第一次受到的摩擦力为f ，第二次受到的摩擦力
1
为f ，则f 与f 的大小关系是f ＝ f （选填“＞”、“＜”或“＝”）
2 1 2 1 2
（2）小芳利用上述器材探究“阻力对物体运动的影响”，为了完成该实验，还需要增加的器材
有 毛巾 （选填“砝码”、“毛巾”或“弹簧测力计”）。每次让小车从同一高度由静止滑
下，记下木块最终停在不同水平面上的位置，可知木块受到的阻力越小，运动的距离越 远 。
【解答】解：（1）实验的研究对象是小车，同一小车保证了质量相同，从斜面的不同高度由静
止滑下，小车放置的位置越高，到达水平面的速度越大，木块被撞击后滑行得越远，说明小车
的动能更大；由此可以得出结论：质量相同时，速度越大，物体的动能越大；
两次实验木块在滑动过程中，由于没有改变木块和接触面，所以木块受到的滑动摩擦力相同，
即f甲 ＝f乙 。
（2）探究“阻力对物体运动的影响”需要选择与接触面粗糙程度有关的毛巾。
根据实验现象可知，平面越光滑，说明小车受到的阻力越小，小车运动的路程越远。
故答案为：（1）远；大；＝；（2）毛巾；远。
