实验14 探究物体的动能跟哪些因素有关(解析版)

实验14 探究物体的动能跟哪些因素有关
基础考点梳理
1.实验装置
探究1 探究2
【分析和论证】
探究1中：当钢球质量相同时，钢球达到斜面底端速度越大，木块被撞击滑行的距离越远，说明钢球的动能与速度有关，速度越大，动能越大。

探究2中：当钢球达到斜面底端速度相同时，钢球质量越大，木块被撞击滑行的距离越远，说明钢球的动能与质量有关，质量越大，动能越大。

【实验结论】
物体动能大小与物体的质量和运动速度有关：
①质量相同的物体，运动速度越大，它的动能越大；
①运动速度相同的物体，质量越大，它的动能越大。

【实验方法】
（1）转换法：通过小球推动木块运动的距离来反映小球动能大小，推动木块运动距离越远，小球的动能越大；
（2）控制变量法：
①探究动能大小与质量的关系（控制小球速度不变，将质量不同的两小球，从同一高度由静止释放，小球质量越大，撞击后木块运动的距离越大，小球动能越大）。

①探究动能大小与速度的关系（控制小球质量不变，将质量相同的两小球，从不同高度由静止释放，小球速度越大，撞击木块后运动的距离越大，小球动能越大）。

【交流与讨论】
（1）使钢球获得动能的方法：将钢球由斜面某一高度静止释放（重力势能转化为动能）。

（2）将质量不同的钢球放在斜面上同一高度处静止释放的目的：控制钢球达到斜面底端时具有相同的初速度。

（3）将质量相同的钢球由斜面上不同位置静止释放的目的：改变钢球达到斜面底端时的初速度。

（4）实验推理：当水平面绝对光滑时，木块将一直做匀速直线运动（力不是维持物体运动状态的原因，而是改变改变物体运动状态的原因）。

（5）水平面绝对光滑时对实验的影响评估：钢球撞击木块后木块移动的距离无法确定，钢球动能的大小无法比较。

（6）钢球在水平面上不能立即停下的原因：钢球具有惯性。

（7）木块最终停止的原因：受到摩擦力的作用（力是改变物体运动状态的原因）。

（8）实验中能量的转化。

①小球从斜面上由静止下落，下滑过程中重力势能转化为动能和内能；木块在水平面上运动时动能转化为内能。

①钢球在运动过程中机械能不守恒，机械能减少量最终转化为内能。

（9）实验改进：
①木块被撞后滑出木板的解决办法：换更长的木板。

①木块质量较大，确保实验现象较明显的方法：增大钢球滚下的高度。

（10）实验结论的应用：生活中超载、超速问题（超速：速度大，超载：质量大，则动能大，危险性大）。

典型例题赏析
实验结论：物体动能与物体的质量和速度有关．
（1）质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大．
（2）速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大．
1.为了探究“物体的动能跟哪些因素有关”，实验小组的同学们利用斜面、金属球、木块等器材在同一水平面上开展了探究活动．
（1）让金属球在斜面上由静止开始滚下，金属球的起点位置越高，到达斜面底端的速度越大．
（2）实验时将木块放在水平面，金属球由静止开始沿斜面向下运动，撞击木块并与木块一起运动一段距离后静止．金属球动能的大小是通过小球推动木块滑行距离大小来反映的．
要点1.金属球获得动能的操作：金属球从斜面某高度由静止释放的重力势能转化而来，下滑的高度越高，
动能越大，到达斜面底部的速度越大.
（3）实验小组进行了三次实验如图所示：
①分析甲、乙两图的实验现象，可以初步得到的结论是质量一定时，小球的速度越大，则动能越大。

①分析___乙丙____两图实验现象，让不同质量的金属球从同一斜面的同一高度由静止滚下，目的是探究动能大小与质量之间的关系，可初步得到的结论是小球高度一时，小球的质量越大，则动能越大．（4）（真实情境）另一小组在结束图甲操作后再进行图乙操作时，发现金属球撞击木块后一起滑出了木板．为了使木块不滑出木板，在不改变木板长度的情况下，且仍能与图甲对比分析，可行的操作方法是增大木板的粗糙程度．
要点2.木块被撞后“滑出”木板的原因：木块运动的距离较长即金属球的动能过大．
（5）（生活应用）（2021天津改编）用甲、乙两图的实验现象所得到的结论，可以解释汽车___超载___（选填“超载”或“超速”）行驶时危险性大的原因，根据实验探究请解释车辆限速的原因__速度大，动能大，紧急刹车时，距离大，因此危险_
（6）（科学推理）（2022绥化）若斜面下方水平面绝对光滑，本实验_不能___（选填“能”或“不能”）达到探究的目的．
要点3.关键点解读：绝对光滑→牛顿第一定律，物体将一直做匀速直线运动，实验现象无法观察．
（7）（装置改进）（2022甘肃改编）另一小组在探究动能的大小的影响因素时，让金属球由静止释放的场景如图丁所示
①该实验中金属球的动能由___小球的重力势能_____转化而来，图丁探究的是物体的动能与___速度__（选填“高度”“速度”或“质量”）的关系．
要点4.原装置图的不足：金属球从斜面下滑过程中会与斜面摩擦，将金属球的重力势能转化为动能和内能，机械能损耗较大．
2．小明学完《合理利用机械能》一节后，对探究“动能大小与哪些因素有关”的实验进行了改进，如图甲所示，器材有：固定在竖直墙面上的轻质弹簧、粗糙的长木板、质量不同的钢球m1和m2（m1＜m2）、木块一个。

（不计钢球撞击木块前的能量损失）请回答下列问题：
（1）探究动能与速度关系时，用钢球m1压缩弹簧至最短，释放钢球，弹簧对钢球施加的弹力使钢球由静止变为运动，这一过程弹簧的弹性势能转化为小球的动能，木块被钢球撞击后运动了一段距离s1；
（2）为了改变钢球m1的速度，你的操作是：改变弹簧的压缩程度的大小，释放钢球，如图乙所示木块被钢球撞击后运动的距离是s2，比较s1和s2可得出结论：在质量一定时，速度越大，动能越大。

（3）探究动能与质量关系时，小明设计的实验操作是：分别用钢球m1和m2压缩弹簧至最短，释放钢
球，观察木块被钢球撞击后运动的距离。

请你分析小明的实验设计是否可行？不可行（选填“可行”
或“不可行”），理由是：弹簧的压缩程度相同，钢球的动能相同。

【解答】解：（1）探究动能与速度关系时，用钢球m1压缩弹簧至最短，弹簧发生了弹性形变，产生了弹力，弹力作用在钢球上，使钢球由静止变为运动；
弹簧发生弹性形变后具有弹性势能，钢球被弹开的过程中，钢球的动能增大，弹簧的弹性势能转化为钢球的动能；
（2）钢球的质量不变，为了改变钢球m1的速度，需要改变弹簧的弹性势能的大小，即改变弹簧的压缩程度的大小；
根据转换法可知，实验中通过木块移动的距离来判定动能的大小，木块移动的距离越远，动能越大；由图可知，s1＞s2，结论为：在质量一定时，速度越大，动能越大；
（3）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，因此，木块最终移动的距离相同，这样是不能完成实验目的。

故答案为：（1）弹；弹性势；（2）改变弹簧的压缩程度的大小；在质量一定时，速度越大，动能越大；
（3）不可行；弹簧的压缩程度相同，钢球的动能相同。

3．十次事故九次快”说明汽车超速会带来危害，汽车“多拉快跑”更是追尾事故中的罪魁祸首，超速与超载严重危害了道路交通安全。

小明通过实验探究货车超速与超载在追尾事故中的危害，用到的器材有：小车（模拟货车）木块（模拟被追尾车辆）、砝码若干、坡度固定的斜面。

将小车从如图甲所示的A处自由释放，小车在水平面上运动一段距离s1后停止，s1可视为刹车后运动的距离。

将木块静置于小车右侧所在的位置B处，表明符合核载量并在限速内的货车不会对前车追尾。

请回答下列问题：
（1）探究货车超速的危害：如图乙所示，木块置于B处，小车由斜面顶端释放，撞击木块并与木块共同运动一段距离s2，这表明货车超速会（选填“会”或“不会”）产生追尾的危害。

本实验可用木
块运动的距离反映追尾的危害程度；
（2）探究货车超载的危害：如图丙所示，木块置于B处，将砝码固定在小车上，仍从A处释放小车，观察小车的运动情况。

逐次增加砝码个数重复实验，发现小车在水平面上运动的距离几乎都为s1，均未与木块撞击。

小明猜想：小车每次到达斜面底端时，虽其动能随质的逐次增大而增大，但仍未追尾，原因可能是小车此时速度还不够大；
（3）由（2）问中的实验看出小车超载几乎不会追尾前车，但生活中货车超载引起的追尾事故却频频发生。

请你在上述实验的基础上再设计一步实验操作（木块仍置于B处），证明货车追尾前车会因超载带来危害。

①操作：将装有砝码的小车放在斜面顶端（选填“A处”或“顶端”）释放，观察木块被撞击后运动的距离；
②请你对可能产生的现象进行合理预设，并指出若木块运动的距离比乙图（选填“甲图”“乙图”或“丙图”）中木块运动的距离更远，则木块两次运动距离之差即可体现仅因超载带来的危害程度。

（4）本实验中应用到的实验方法为控制变量法和转换法。

【解答】解：（1）小车撞击木块并与木块共同运动一段距离，是小车“追尾”木块的结果，因此这表明货车超速会产生追尾的危害，追尾的危害程度越大，木块被推动移动的距离越远，因此本实验可用木块运动的距离反映追尾的危害程度；
（2）动能大小的影响因素：质量和速度，质量越大，速度越大，动能越大；每次小车都从A处释放，每次到达斜面底端时，速度相同，小车逐次增加砝码的个数，使得小车的质量逐次增加，因此小车的动能逐次增大，但小车相比探究（1）降低了释放的高度，使得小车到达斜面底端时，速度减小，因此第2次探究，小车均未与木块撞击的原因可能是小车的速度不够大；
（3）探究（2）中小车未与木块相撞是因为速度太小，结合探究（1）的情况，可以让小车从斜面的顶端
释放，以增加小车到达斜面底端的速度，确保小车能撞击木块，由于要探究超载的危害，因此需要改变小车的质量，故操作如下：将装有砝码的小车放在斜面顶端释放，观察木块被撞击后运动的距离；
②若木块运动的距离比乙图中木块运动的距离更远，则木块两次运动距离之差即可体现仅因超载带来的
危害程度；
（4）追尾的危害程度是通过木块被推动移动的距离体现的，这是转换法，本实验中应用到的实验方法为控制变量法和转换法。

故答案为：（1）会；距离；（2）质量；速度；（3）①顶端；②乙图；③转换法。

4．“探究动能大小与哪些因素有关”的实验装置如图1所示：将小车从斜面上高h处由静止释放，运动至木板上后与木块碰撞。

通过改变小车释放时高度h、在小车中增加钩码和在木板上铺垫棉布的方法，得到了图2虚线框内的四个实验场景。

（1）为探究小车动能与质量的关系，应选用场景①和③（选填“②”、“③”或“④”）进行实验；
（2）若将场景①和②中的木块均移走，利用这两个场景可探究阻力对物体运动的影响，并由此推断出，如果运动物体不受力将做匀速直线运动。

【解答】解：
（1）由图知，场景①和场景②中小车的质量相同，场景①②③中小车最初所处的高度相同，且场景③④中小车的总质量更大，而场景④中小车最初所处的高度最小；
为探究小车动能与质量的关系，应控制小车到达水平面时的初速度相同（即释放时的高度相同），而小车的质量不同，所以应让两质量不同的小车分别从同一斜面同高度由静止滑下，则由图中信息可知应选场景①和③；
（2）若将场景①和②中的木块均移走，完全相同的两小车到达水平面时初速度相同，水平面的粗糙程度不同，小车的滑行距离不同，据此场景可以探究阻力对物体运动的影响；平面越光滑，小车运动的距离越长，如果运动物体不受力将做匀速直线运动。

故答案为：（1）③；（2）阻力；做匀速直线运动。

5．汽车的超载、超速行驶很容易造成交通事故。

小东由此想要探究动能大小与质量、速度的关系。

实验过程如图，其中h1＜h2。

（1）三次实验应让小球由静止开始滚下。

实验中，动能的大小是通过木块移动的距离来反映的；
（2）甲、乙两次实验探究的是动能与速度的关系；
（3）进行图丙实验时，木块被撞后滑出木板掉落，由此可推断A、B两球的质量关系是：m A＜m B，与乙图实验进行比较，可以得出：速度相同时，质量越大，动能越大。

为了实验安全，需改进丙图实验，再与乙图实验对比，在不改变木板长度的情况下，以下可行的方法是A（填写正确选项前的字母）。

A．换用质量更小的钢球
B．给水平木板铺上毛巾
C．适当降低钢球B的高度
D．换用一个较重的木块
（4）善于动脑的小东又设计了如图丁所示的方案：用同一个钢球两次将同一弹簧压缩到不同程度，两次实验弹簧具有的弹性势能不同（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，这样做不能（填“能”或“不能”）验证动能与质量的关系。

【解答】解：（1）实验中，动能大小是通过小木块移动的距离大小来反映的，用到了转换法。

（2）甲、乙两次实验，小球的质量不变，而滚下的高度不同，到达水平面的速度不同，探究动能与速度的关系。

（3）由图乙和图丙可知，两个小球的质量不同，小球滚下的高度相同，到达水平面的速度相同，图丙实验时，木块被撞后滑出木板掉落，说明丙图中B球的动能较大，B球的质量较大，可以得到速度相同时，质量越大，动能越大。

A．换用质量更小的钢球，在速度不变的情况下，动能更小，推动木块移动的距离变小，故A符合题意；
B．给水平木板铺上毛巾，不能与乙控制相同的接触面，故B不符合题意；
C．适当降低钢球B的高度，钢球的速度发生了变化，无法完成探究，故C不符合题意；
D．换用一个较重的木块，木块与木块受到的摩擦力不同，不能完成探究，故D不符合题意。

故选A。

（4）用同一个钢球两次将同一弹簧压缩到不同程度，弹簧的弹性形变不同，两次实验弹簧具有的弹性势能不同。

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，因此，木块最终移动的距离相同，这样是不能完成实验的。

故答案为：（1）木块移动的距离；（2）速度；（3）＜；速度；A；（4）不同；不能。

6．芳芳设计用如图所示装置探究“物体的动能大小与哪些因素有关”的实验，其中摆线的长度L相同，小球A、B的质量m A＜m B，悬线与竖直方向之间的夹角θ1＜θ2。

（1）小球按图示位置由静止释放，当小球摆动到竖直位置时，恰好与静止在水平面上的木块C发生碰撞，木块都会在水平面上滑行一定距离后停止，本实验中通过比较木块C在水平面上移动的距离反映撞击木块C前小球动能大小，这种研究方法叫转换法（选填“控制变量法”或“转换法”）；
（2）根据乙、丙两图所示的探究过程，芳芳观察到图丙中木块C被撞得更远，由此可得出结论：小球的动能大小与速度（选填“速度”、“高度”或“质量”）有关。

【解答】解：（1）本实验通过小球撞击木块，根据木块C在水平面上移动的距离判断小球动能大小，采用的方法是转换法；
（2）乙、丙两图，小球的质量相同，θ1＜θ2，所以丙图小球的速度更大，图丙中木块C滑行得更远些，说明质量相同时，物体的速度越大，动能越大，即小球的动能大小与速度有关。

故答案为：（1）转换法；（2）速度。

7．许多实验器材在物理实验中被重复利用，斜面就是其中之一，请完成下面利用斜面进行探究实验的有关问题。

（1）如图甲所示利用斜面测平均速度，为了便于测量运动时间，可以减小（填“增大”或“减小”）斜面坡度；让滑块从斜面顶端由静止开始滑下（滑块上方显示的是滑块在A、B、C三处的时刻，数字钟的格式是“时：分：秒”），滑块由A滑至C的过程中平均速度是0.1m/s；滑块在AB段的平均速度和BC段的平均速度大小关系是V AB＜v BC（填“＞”、“＜”或“＝”）。

（2）如图乙所示利用斜面探究阻力对物体运动的影响，小车从斜面相同高度由静止滑下，在毛巾、棉布、木板等表面上运动不同的距离后停止，其中在木板上阻力较小，滑行距离较远。

由实验推理得出，如果小车在水平面上受到的阻力为零，小车将做匀速直线运动。

下面实验的研究方法同样用到推理法的是A（填字母）。

A.从玻璃罩中抽出部分空气，铃声变小，说明真空不能传播声音
B.探究平面镜成像特点实验中取两根相同的蜡烛
C.由U形管中两侧液柱的高度差来确定液体内部的压强大小
D.在探究压力的作用效果与受力面积的关系时，保持压力不变
（3）如图丙所示利用斜面探究动能的大小与哪些因素有关，让小球A从斜面的不同高度由静止开始滚
下，到达水平面时撞击木块B，这是为了探究动能与速度的关系。

小球动能大小通过木块被推动的距离来反映，该探究实验利用了控制变量法和转换法。

【解答】解：（1）实验时应使斜面的坡度小些，这样小车运动的慢，便于测量运动时间；
滑块由A滑至C的路程为：s＝40cm＝0.4m，用的时间为：t＝4s，那么滑块由A滑至C的过程中的平均速度为：v＝＝＝0.1m/s；
图中AB的长度为s AB＝40cm﹣20cm﹣5cm＝15cm＝0.15m，滑块由A滑到B的时间为2s，那么小车在AB段的平均速度为：v AB＝＝＝0.075m/s；
图中BC的长度为s BC＝20cm+5cm＝25cm＝0.25m，滑块由B滑到C的时间为2s，那么小车在BC段的平均速度为：v BC＝＝＝0.125m/s；所以v AB＜v BC；
（4）从毛巾、棉布到木板，接触面粗糙程度变小，小车受到的阻力变小，实验发现，小车在玻璃上运动的距离最大，说明小车受到的阻力最小，向前滑行的距离越大；根据科学推理法，进一步推理得出：如果小车运动时不受阻力，小车将做匀速直线运动；
A.从玻璃罩中抽出部分空气，铃声变小，说明真空不能传播声音；利用了科学推理法；
B.探究平面镜成像特点实验中取两根相同的蜡烛；利用了等效替代法；
C.由U形管中两侧液柱的高度差来确定液体内部的压强大小；利用了转换法；
D.在探究压力的作用效果与受力面积的关系时，保持压力不变；利用了控制变量法；
故选A；
（3）如图丙所示利用斜面探究动能的大小与哪些因素有关，让小球A从斜面的不同高度由静止开始滚下，则小球到达水平面时的速度不同，根据控制变量法，这是为了探究动能与速度的关系；
该实验中物体动能的大小是通过木块被推动的距离来反映的，这种常用的实验方法称为转换法。

故答案为：（1）减小；0.1；＜；（2）匀速直线；A；（3）速度；木块被推动的距离；转换。

8．“交通事故十个里边八个快”，说明车速过快导致的交通安全事故很多。

小明看到高速公路旁标志牌上显示不同车型设定的最大速度不一样，如图甲所示，大型客车及大货车的最大速度比小汽车的低，他猜想动能的大小跟物体的速度和质量有关。

于是他设计实验探究影响动能大小的因素，选用的实验器材有：斜面、长木板、钢球A和B（A的质量大于B的质量）、木块、小车、刻度尺如图乙所示，实验步骤如下：
首先，让钢球A从斜面一定高度h由静止开始滚下，在水平面上运动，撞动木块后，能将木块撞出一段距离：记录多组钢球A在斜面的高度h和木块被钢球撞击后移动的距离s1；
然后，换用钢球B重复上边的实验，记录多组钢球B在斜面的高度h和木块被钢球撞击后移动的距离s2；实验数据表如表：
钢球所处斜面的高度h/cm68101214钢球A撞击后，木块移动的距离s1/cm57.5111520
钢球B撞击后，木块移动的距离s2/cm468.51216
（1）实验中木块的作用是通过木块移动的距离反映钢球动能的大小；
（2）让钢球从斜面不同高度滑下来的目的是使钢球到达水平面的速度不同；
（3）实验时，小明发现钢球撞击木块，木块常常被撞偏，请你提出一个解决办法在斜面上装一轨道，让钢球沿轨道滚下；
（4）通过分析钢球A的s1与h的多组实验数据，可初步得到的结论是：质量一定，物体的速度越大，动能越大；
（5）分析表中数据，请你说明大型客车及大货车的最大速度比小汽车低的道理是大型客车、载货汽车质量大，在相同速度的情况下，其动能也大，一旦发生紧急情况，造成的伤害也会更严重。

【解答】解：（1）实验中钢球动能的大小是通过小木块移动的距离来反映的；
（2）让钢球从斜面不同高度滑下来的目的是使钢球到达水平面的速度不同；
（3）分析钢球A的s1与h的多组实验数据可得物体的质量相同，下滑的高度不同，下滑的高度大，运动到水平面时速度大，推动木块滑行的距离大，故物体质量相同时，速度越大，动能越大；
（4）钢球滚下的高度相同，到达水平面时的速度是相同的，钢球的质量越大，推动木块移动的距离越远，动能越大，故速度相同时，质量越大，动能越大；
大型客车、载货汽车质量大，在相同速度的情况下，其动能也大，一旦发生紧急情况，造成的伤害也会更严重，因此，在相同道路，大型客车、载货汽车最高行驶速度比小型客车最高行驶速度小。

故答案为：（1）通过木块移动的距离反映动能的大小；（2）使钢球到达水平面的速度不同；（3）在斜面上装一轨道，让钢球沿轨道滚下；（4）质量一定，物体的速度越大，动能越大；（5）大型客车、载货汽车质量大，在相同速度的情况下，其动能也大，一旦发生紧急情况，造成的伤害也会更严重。