高中定量 · 初中直观拓展 · 力学 · 弹性势能

多压一倍,能量会多一倍吗?

线性弹簧,忽略摩擦;压缩后释放至原长,把弹性势能转为滑块动能。压缩弹簧,比较力—位移图下面积。

问题的来处1678年 · 胡克的弹性研究

弹簧能量仓:问题从哪里来?

钟表制造需要能够反复储存、释放能量的弹簧。胡克公开了弹力与形变关系,弹性物体从工匠经验走向可测量的规律。

读一段背景,带着问题动手

钟表制造需要能够反复储存、释放能量的弹簧。胡克公开了弹力与形变关系,弹性物体从工匠经验走向可测量的规律。

“多压一点”并非只多做一点功:力也在增大。用力—位移图下的面积核对储能,再把储能与释放速度联系起来。

现在,换你来试压缩弹簧,比较力—位移图下面积。 固定其他条件,亲手将压缩量分别设为0.1和0.2m,各核验一次;储能翻几倍,释放后的速度又翻几倍?

弹簧能量仓

P15 / 力学
今天的问题

储能翻几倍,释放后的速度又翻几倍?

独立探索要做什么?

压缩弹簧,比较力—位移图下面积。 固定其他条件,亲手将压缩量分别设为0.1和0.2m,各核验一次;储能翻几倍,释放后的速度又翻几倍?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
弹性范围内 · 无摩擦释放末态弹力10 N0中线 · 各量独立标定弹性势能0.5 J0中线 · 各量独立标定原长处速率1.4142 m/s0中线 · 各量独立标定

相同压缩位置下刚度改变弹力,质量改变释放速度与播放时间尺度。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

折线:弹簧青色:滑块金色:原长位置
看这里 · 弹性势能0.5 J

储能0.500 J;不能把变化的弹力当作恒力计算功。 相同压缩位置下刚度改变弹力,质量改变释放速度与播放时间尺度。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

0 简谐释放到原长;真实时间的0.02倍慢放,进度不是秒。
弹性势能
0.5 J
末态弹力
10 N
原长处速率
1.4142 m/s
当前弹性势能
0.5 J
当前动能
0 J

储能0.500 J;不能把变化的弹力当作恒力计算功。 相同压缩位置下刚度改变弹力,质量改变释放速度与播放时间尺度。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

没有压缩时,能否凭弹簧获得动能?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

E=kx²/2=mv²/2;v=x√(k/m)。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

储能翻几倍,释放后的速度又翻几倍?

换个条件,再试一次

没有压缩时,能否凭弹簧获得动能?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识力学 · 弹性势能涉及的量与单位:压缩量(m)、劲度系数(N/m)、滑块质量(kg)、释放进度(无量纲)。高中定量 · 初中直观拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:压缩弹簧,比较力—位移图下面积。

再做定量:保持其他条件,比较压缩量与弹性势能(J),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

E=kx²/2=mv²/2;v=x√(k/m)。

对照核验提示:压缩一点:压缩量 0.1 m;压缩两倍:只改变压缩量 0.2 m。按这些题设自己操作并比较弹性势能,不把参考情景当个人完成。

适用范围:储能0.500 J;不能把变化的弹力当作恒力计算功。 相同压缩位置下刚度改变弹力,质量改变释放速度与播放时间尺度。

OpenStax · Potential Energy(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。