1. 小明在实验室看到一科学玩具﹣﹣牛顿摆,如图1甲所示,它由支架、细线和5个完全相同的钢球组成,每个钢球通过两根无弹性细线固定在支架上,并紧挨着排列在同一水平直线上。拉起最左侧的钢球,释放后,它像单摆一样向右摆动撞击相邻钢球,仅把最右侧的钢球撞出,其他球几乎静止不动。

这引发了小明的思考:为什么碰撞后仅有一个球摆动,而其余球仍然保持静止?于是他提出问题:被撞而摆动的钢球数量与哪些因素有关?接着他作出以下猜想:

I.可能与撞击球撞击时的速度大小有关

II.可能与撞击球的数量多少有关

将牛顿摆等效为单摆模型,如图1乙所示是一个钢球撞击其它钢球的情形,五个钢球自左向右标为A~E球。若不考虑能量损失,请回答下列问题:

(1) 将A球作为撞击球拉至一定的高度(保持细线绷直),释放后,A球向右摆动过程中,将能转化为动能。
(2) 探究猜想I时,为了改变撞击球撞击时的速度,你的操作办法是:。释放后,当钢球发生碰撞时,仅有E球被撞出,由此可判断:被撞而摆动的钢球数量与撞击球的速度(选填:“有关”或“无关”)。
(3) 通过上述实验,小明还是不明白为什么仅有一个球被撞出,于是他向老师请教,老师说:牛顿摆的钢球间发生碰撞时,撞击球的速度被大小不变地依次“传递”给下一个球,所以最终只有一个钢球被撞出。根据老师的讲解,小明继续探究猜想II,将A、B两球作为撞击球紧挨着拉起一定高度后同时释放,A、B球向右摆动并与C球相撞,则此时可观察到的现象是如图2中的(选填:“甲”、“乙”或“丙”);请闸述你选择的理由:

【考点】
机械能及其转化;
【答案】

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1. 篮球运动员传球时,篮球撞击地面后能准确反弹到远处队友手中,小楠觉得好奇:篮球撞击地面后,反弹方向与哪些因素有关呢?与同学讨论后,他们觉得可以用弹性小球代替篮球,对小球撞击水平地面后的反弹方向进行探究,并提出了三种猜想。

猜想1:与小球撞击地面前是否旋转有关;

猜想2:与小球撞击地面时的入射方向有关;

猜想3:与地面的粗糙程度有关。

(1)对于猜想1,联想到旋转的乒乓球打到了台案后,反弹的路线发生明显变化,由此判断猜想1是的;

(2)为验证猜想2和3,同学们设计了如图甲所示的装置,每次都让弹性小球从压缩了相同长度的弹簧的下端,由静止弹出并撞击地面,分别改变地面的粗糙程度和小球的入射方向与地面的夹角α,测出小球撞击地面后的反弹方向与地面的夹角β,记录数据如下表。

夹角α

20.0°

30.0°

45.0°

60.0°

70.0°

夹角β

玻璃地面

25.5°

34.7°

49.2°

63.5°

72.8°

木板地面

28.6°

37.3°

51.6°

65.4°

74.1°

水泥地面

30.9°

39.2°

53.9°

67.5°

76.6°

①小球撞击地面发生形变时,动能转化为了能;

②对于猜想2,分析数据可得:当地面的粗糙程度一定时,小球的入射方向与地面的夹角α越大,小球撞击地面后的反弹方向与地面的夹角β就(选填“越大”或“越小”),说明该猜想是正确的;

③对于猜想3,小虎认为:表中α一定时,各次测得的β不等,这是由测量误差引起的,所以猜想3是错误的。你(选填“赞成”或“不赞成”)小虎的观点;

(3)用每隔0.02s曝光一次的频闪照相机拍摄到某次小球从地面O位置反弹至D位置的照片,如图乙所示。小球是从图乙中的(选填“A”“B”或“C”)位置开始入射的;

(4)同学们分析:当α一定时,随着地面粗糙程度变小,β值与α越接近,由此推理,如果地面没有摩擦,则β与α应相等,请写出一个用此思想方法研究问题的实例:

实验探究题 普通