探究小球动能与哪些因素有关实验解读

一、实验方法

1. 控制变量法

探究小球动能与速度的关系时，保持小球的质量不变。具体操作是选取同一个小球，让其分别从不同高度的斜面自由滚下。这样做是因为根据能量转化，同一个小球从不同高度滚下到达平面时的速度不同，而小球的质量始终不变。通过观察小球撞击木块后木块被推动的距离，来判断动能与速度的关系。

探究小球动能与质量的关系时，保持小球从斜面滚下的高度相同，即让小球到达平面时的速度相同。此时选取质量不同的小球从同一高度的斜面自由滚下，观察不同质量的小球撞击木块后木块被推动的距离，从而确定动能与质量的关系。

2. 转换法

动能是比较抽象的物理量，我们难以直接测量其大小。在实验中，利用木块被小球撞击后移动的距离来间接反映小球动能的大小。木块被推动的距离越远，说明小球对木块做的功越多，进而表明小球具有的动能越大。

二、实验结论

动能与质量和速度有关。

对比图1中甲、乙实验：质量相同的物体，速度越大，动能越大。

对比图1中甲、丙实验：速度相同的物体，质量越大，动能越大。

三、典例辨析

例 如图2，图甲是探究“影响动能大小因素”的实验装置。

（1）本实验中小球A的动能大小通过木块B在水平桌面上 _______________ 来体现。若不用木块B，在桌面上铺一条毛巾，_______________ （选填“可以”或“不可以”）用小球A在毛巾表面滚动的距离来体现。

（2）将小球A放在同一斜面上 _______________ （选填“相同”或“不同”）高度处由静止释放，目的是使小球在撞击木块B时速度不同，通过实验现象可以得出结论：质量相同的物体，_______________ ，动能越大。

（3）善于动脑的小明设计了如图乙所示的方案：用同一个钢球两次将同一弹簧压到不同程度，两次实验弹簧具有的弹性势能 _______________ （选填“相同”或“不同”），放手后将小球弹出去撞击放在同一位置的木块时的速度也不同，从而验证了动能与速度的关系。接着让质量不同的两个钢球两次将同一弹簧压缩到相同程度，放手后将小球弹出去撞击放在同一位置的木块，这样做 （选填“能”或“不能”）验证动能与质量的关系。

（4）如果丙、丁两图中小球的质量均为m，下落高度分别为h和2h，木块被推动的距离相等，通过比较丙、丁两图 _______________ （选填“能”或“不能”）得出动能大小与速度的关系。

（5）完成上述实验后，他们将小球从斜面的某一位置由静止滚下，将水平长木板上的木块由C位置撞至D位置，如图戊所示；完成后，保持木块在D位置不动，取回小球置于斜面同一位置重复上面的操作，如图己所示。这是在 _______________ 相同的条件下，探究小球的动能大小与 _______________的关系。在这两次实验中，_______________ （填“戊”或“己”）图中小球将木块推动的距离更大一些。

解析：（1）实验中用转换法来研究小球动能的大小，将动能转化为物体克服摩擦做功的多少。除了图中方法，也可以由小球在毛巾表面滚动的距离来体现。

（2）同一个小球从不同的高度滚下，到达水平面的速度不同。

（3）弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关，形变相同时弹簧的弹性势能相同，小球的动能相等。

（4）实验中小球的动能大小是通过木块克服摩擦力做功的多少来判断的，丙、丁两图中木块运动距离相同，而丁图的摩擦力更大，木块克服摩擦做功更多。

（5）戊、己两次实验中小球的质量相同，水平面存在摩擦力，己图中小球与木块碰撞前在水平面运动的距离长，所以碰撞时的速度小。

答案：（1）移动的距离 可以 （2）不同 速度越大 （3）不同 不能 （4）能 （5）质量 速度 戊

结语：“探究小球动能与哪些因素有关”实验，巧妙运用转换法，通过观察木块的移动距离，间接探究小球动能的大小。而当木块不同时，同学们也应认识到，可以通过寻找克服摩擦力做功的转换方式来解决问题。

拓展训练

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？

（1）【猜想假设】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。

（2）【进行实验】他们做了如图3所示的三次实验：用金属球模拟汽车，让金属球从斜槽的某一高度由 _______________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 _______________。

（3）【分析论证】为了研究汽车超速的问题，应选择甲、丙两图的实验现象分析，让同一小球从_______________高度由静止开始沿斜槽下滑，可以初步得到的结论是：质量相同的物体，运动_______________ 越大，它的动能越大。

（4）【实践应用】根据甲、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。

（5）【反思评价】小球推动木块运动的过程中，小球和木块的机械能总和

（填“守恒”或”不守恒”）。关于该实验说法正确的是（ ）。

A. 水平面越光滑越好

B. 实验研究的是木块的动能大小

C. 小球由斜面滚下，重力势能转化为动能

D. 小球质量越大，动能越大

答案：（1）速度 质量 （2）静止 大 （3）不同 速度 （4）超载

（5）不守恒 C

（作者单位：本溪市第十二中学）