最终停下,从开始运动到静止的距离为l。根据功能关系,弹簧释放的弹性势能转化为滑块的内能W,内能可以用Ffl来计算,即内能与l成正比,即Ep=W=Ffl,把不能直接测量的弹性势能转换为滑块克服摩擦力做功。只要我们探究出l与形变量x、劲度系数k的关系,就知道Ep与形变量x、劲度系数k的关系。
1.保持k一定,研究形变量x与滑块的位移l的关系。
2.保持x不变,研究劲度系数k与滑块的位移l的关系。
多次试验并记录数据,填入设计的表格:
(1)保持k一定,研究形变量x与滑块的位移l的关系
弹簧的形变量(m) 滑块的位移l(m) x x x 1 2 3 4 (2)保持x不变,研究劲度系数k与滑块的位移L的关系
劲度系数(N/m) 滑块的位移L(m) 1 k1 2 k2 3 k3 指导学生将数据录入电脑利用Excel进行处理,通过图象法找出各量之间的关系。
实验结论:弹性势能与形变量的平方x2成正比,Ep∝x2。
弹性势能与劲度系数k成正比,Ep∝k。
通过上面的实验,我们已经证实了弹性势能与形变量和劲度系数有关,但是他们之间的具体定量关系又如何呢?
提出问题:如何求弹性势能?如何求弹力所做的功?如何把变力转化为不变的力?
思路点拨:设计一个缓慢的拉伸过程,整个过程中拉力始终等于弹力,用拉力的功来替代弹力的功。由于弹力是一个变力,计算弹力的功不能用W=Fs,设弹簧的形变量为x,则弹力F=kx。指导学生回顾研究匀加速直线运动位移的方法。
学生利用微元法求解:可以把变力功问题转化为恒力功问题来解决。把拉伸的过程分为很多小段,它们的长度是Δx1、Δx2、Δx3......在各个小段上,拉力可以近似认为是不变的,它们分别是F1、F2、F3......所以,在各个小段上,拉力做的功分别是F1Δx1、F2Δx2、F3Δx3......拉力在整个过程中做的功可以用它在各个小段做功之和来表示W总=F1Δx1+F2Δx2+F3Δx3......
学生自己画出F-x图象,并与v-t图象比较。由v-t图象下的面积来代表位移,通过思考、讨论和交流,可以得出F-x图象下的面积能表示弹力所做的功。
多媒体投影学生的推导过程,回答学生可能提出的问题:
弹力做功等于阴影部分面积W=。
思路总结:利用"无限分割"法来计算弹簧发生微小形变时弹力做的功,再利用图象法来计算各段微小形变弹力做功之和,从而确定弹性势能。
总结:
表达式:
Ep=kl2
式中,Ep:弹性势能,k:弹簧劲度系数,l:弹簧形变量。