一同学要研究轻质弹簧的弹性势能与弹簧长度改变量的关系.实验装置如下图甲所示,在离地面高为h的光滑水平桌面上,沿着与桌子右边缘垂直的方向放置一轻质弹簧,其左端固定,右端与质量为m的小刚球接触.将小球向左压缩弹簧一段距离后由静止释放,使小球沿水平方向射出桌面,小球在空中飞行落到位于水平地面的记录纸上留下痕迹.
(1)若测得某次压缩弹簧释放后小球落点P痕迹到O点的距离为s,则释放小球前弹簧的弹性势能表达式为______;
(2)该同学改变弹簧的压缩量进行多次测量得到下表一组数据:
弹簧压缩量x/(cm) | 1.00 | 1.50 | 2.00 | 2.50 | 3.00 | 3.50 |
小球飞行水平距离s/m | 2.01 | 3.00 | 4.01 | 4.98 | 6.01 | 6.99 |
(3)完成实验后,该同学对上述装置进行了如下图乙所示的改变:(I)在木板表面先后钉上白纸和复写纸,并将木板竖直立于靠近桌子右边缘处,使小球向左压缩弹簧一段距离后由静止释放,撞到木板并在白纸上留下痕迹O;(II)将木板向右平移适当的距离固定,再使小球向左压缩弹簧一段距离后由静止释放,撞到木板上得到痕迹P;(III)用刻度尺测量纸上O点到P点的竖直距离为y.若已知木板与桌子右边缘的水平距离为L,则(II)步骤中弹簧的压缩量应该为______;
(4)若该同学在完成图乙实验的过程中,弹簧与桌子右边缘不垂直,用(3)问的方法计算得出的弹簧压缩量比实际______(选填“偏大”、“偏小”或“没有影响”).
(1)由平抛运动规律有 s=vt,
h=
gt2,1 2
得 v=s
.g 2h
由机械能守恒定律得 EP=
mv2=1 2 mgs2 4h
释放小球前弹簧的弹性势能表达式为Ep=
;mgs2 4h
(2)由表中数据可看出,在误差范围内,s正比于x,即s=200x,
Ep=
,所以弹簧弹性势能与弹簧压缩量x之间的关系式应为 Ep=mgs2 4h 104mgx2 h
(3)由Ep=
得,小球释放前压缩弹簧的弹性势能为:Ep=mgs2 4h mgL2 4y
联立得(II)步骤中弹簧的压缩量应该为 x=L 200 h y
(4)若在完成步骤(III)的过程中,光滑水平槽与桌子右边缘不垂直,则会使小钢球做斜下抛运动,此时会使y增大,由
x=L 200
可知,用(3)问的方法计算得出的弹簧压缩量与实际值相比偏小.h y
故答案为:(1)Ep=mgs2 4h
(2)Ep=104mgx2 h
(3)x=L 200 h y
(4)偏小