登录
14. 如图所示是小明在游乐场玩过山车后，自己制作了一个过山车模型。选用不同的小球从发车点静止下滑，依次经过轨道上的1、2、3、4位置，最后到达停车点。
（1）小球从发车点下滑，由位置1至位置2的过程中，
（2）为了让小球顺利停在停车点，位置3至停车点的轨道应适当
（3）小明发现不同小球从不同的高度静止下滑时，有的小球没到达位置2就下落了。小明利用自制的过山车模型探究小球能否经过位置2与小球质量、下滑的高度是否有关，设计某一探究表格，为完成实验，你认为①处应填写的是
（4）小球通过的最高点越来越低，说明小球的机械能在
（1）小球从发车点下滑，由位置1至位置2的过程中，
动能
转化为重力势能
。（均选填“重力势能”或“动能”）（2）为了让小球顺利停在停车点，位置3至停车点的轨道应适当
粗糙
（选填“光滑”或“粗糙”）点。（3）小明发现不同小球从不同的高度静止下滑时，有的小球没到达位置2就下落了。小明利用自制的过山车模型探究小球能否经过位置2与小球质量、下滑的高度是否有关，设计某一探究表格，为完成实验，你认为①处应填写的是
下滑的高度h/m
。（4）小球通过的最高点越来越低，说明小球的机械能在
变小
（选填“变大”“不变”或“变小”），原因是小球克服阻力做功
。答案
(1) 动能 重力势能 (2) 粗糙 (3) 下滑的高度h/m (4) 变小 小球克服阻力做功
解析
【分析】
逐个问题拆解思路：
（1）判断能量转化需分析位置1到2过程中速度和高度的变化，结合轨道起伏判断能量转化方向；
（2）要让小球停在停车点，需消耗小球的机械能，粗糙轨道摩擦力更大，能更快消耗机械能；
（3）探究小球能否经过位置2与质量、下滑高度的关系，需用控制变量法，明确实验变量；
（4）小球运动中受阻力作用，机械能会转化为其他形式的能，结合最高点变化判断机械能变化。
【解析】
（1）小球从位置1至位置2，轨道为上坡，速度减小，动能减小；高度增加，重力势能增大，因此动能转化为重力势能；
（2）位置3至停车点，需要让小球的机械能尽快消耗，粗糙轨道的摩擦力更大，能增大阻力，使小球顺利停下，故应选粗糙；
（3）探究小球能否经过位置2与小球质量、下滑高度的关系，实验需控制变量，变量为小球质量和下滑高度，因此表格中①处应填写下滑的高度h/m；
（4）小球运动过程中，始终受到阻力作用，需要克服阻力做功，机械能会转化为内能，因此机械能变小，表现为通过的最高点越来越低。
【答案】
(1) 动能 重力势能 (2) 粗糙 (3) 下滑的高度h/m (4) 变小 小球克服阻力做功
【知识点】
机械能转化、控制变量法、机械能变化
【点评】
本题结合过山车模型考查机械能相关知识，涉及能量转化、控制变量法的应用，需结合实际场景分析能量变化，理解阻力对机械能的影响，属于基础应用类题目。
【难度系数】
0.5
逐个问题拆解思路：
（1）判断能量转化需分析位置1到2过程中速度和高度的变化，结合轨道起伏判断能量转化方向；
（2）要让小球停在停车点，需消耗小球的机械能，粗糙轨道摩擦力更大，能更快消耗机械能；
（3）探究小球能否经过位置2与质量、下滑高度的关系，需用控制变量法，明确实验变量；
（4）小球运动中受阻力作用，机械能会转化为其他形式的能，结合最高点变化判断机械能变化。
【解析】
（1）小球从位置1至位置2，轨道为上坡，速度减小，动能减小；高度增加，重力势能增大，因此动能转化为重力势能；
（2）位置3至停车点，需要让小球的机械能尽快消耗，粗糙轨道的摩擦力更大，能增大阻力，使小球顺利停下，故应选粗糙；
（3）探究小球能否经过位置2与小球质量、下滑高度的关系，实验需控制变量，变量为小球质量和下滑高度，因此表格中①处应填写下滑的高度h/m；
（4）小球运动过程中，始终受到阻力作用，需要克服阻力做功，机械能会转化为内能，因此机械能变小，表现为通过的最高点越来越低。
【答案】
(1) 动能 重力势能 (2) 粗糙 (3) 下滑的高度h/m (4) 变小 小球克服阻力做功
【知识点】
机械能转化、控制变量法、机械能变化
【点评】
本题结合过山车模型考查机械能相关知识，涉及能量转化、控制变量法的应用，需结合实际场景分析能量变化，理解阻力对机械能的影响，属于基础应用类题目。
【难度系数】
0.5
15. 物理实验探究：
（1）探究一：晓丽在研究动能$E_{\mathrm{k}}$与$m$、$v$关系的实验中，是用小球去撞击木块，并通过木块
（2）探究二：如图所示，将两个相同的小车分别放在两个相同的管道中，然后让速度相等的风和水流分别通过这两个管道2 s，小车分别被推动一段距离，实验数据记录如下表所示：
| 流体 | 风 | 水流 |
|------------|-----|------|
| 小车被推动距离/cm | 0.3 | 79 |
（第15题）
① 相同的时间内、相同的面积上，小车从两种不同的能源上获得的能量
② 若水的流速为$v$，密度是$\rho$，请你推导出水能的能流密度$A$的表达式
（1）探究一：晓丽在研究动能$E_{\mathrm{k}}$与$m$、$v$关系的实验中，是用小球去撞击木块，并通过木块
被撞距离的远近
来反映动能的大小，这种方法叫作转换法
（选填“控制变量法”“类比法”或“转换法”）。她查阅资料得知：$E_{\mathrm{k}}$与$m$、$v$的关系是$E_{\mathrm{k}}=\frac{1}{2}mv^2$。（2）探究二：如图所示，将两个相同的小车分别放在两个相同的管道中，然后让速度相等的风和水流分别通过这两个管道2 s，小车分别被推动一段距离，实验数据记录如下表所示：
| 流体 | 风 | 水流 |
|------------|-----|------|
| 小车被推动距离/cm | 0.3 | 79 |
（第15题）① 相同的时间内、相同的面积上，小车从两种不同的能源上获得的能量
不同
（选填“相同”或“不同”）。在单位时间内、单位面积上，从某种能源中所能得到的能量叫作能流密度。这是评价能源优劣的重要指标之一。一般地说，水能的能流密度比风能的能流密度大
。② 若水的流速为$v$，密度是$\rho$，请你推导出水能的能流密度$A$的表达式
$A=\frac{E_{\mathrm{k}}}{St}=\frac{\rho Stv^3}{2St}=\frac{1}{2}\rho v^3$
。答案
(1) 被撞距离的远近 转换法 (2) ① 不同 大 ② $A=\frac{E_{\mathrm{k}}}{St}=\frac{\rho Stv^3}{2St}=\frac{1}{2}\rho v^3$
解析
【分析】
本题分为两个探究部分，需结合转换法的应用、实验数据对比及公式推导来解题：
1. 探究一中，动能大小无法直接观察，需通过转换法将其转化为易测量的物理量；
2. 探究二中，通过对比相同条件下小车被推动的距离判断能量多少，再结合能流密度定义推导表达式。
【解析】
（1）动能的大小无法直接观测，实验中通过木块被撞距离的远近间接反映小球动能的大小，这种将不易观测的物理量转换为易观测物理量的方法是转换法。
（2）① 相同时间、相同面积下，风推动小车移动0.3cm，水流推动小车移动79cm，说明小车获得的能量不同；水流推动小车距离更远，说明水能提供的能量更多，因此水能的能流密度比风能大。
② 根据能流密度定义：单位时间、单位面积获得的能量，即 $ A=\frac{E_k}{St} $。
t时间内，流过面积S的水的体积 $ V=Svt $，质量 $ m=\rho V=\rho Svt $；
水的动能 $ E_k=\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}·\rho Svt· v^2=\frac{1}{2}\rho Stv^3 $；
代入能流密度公式化简得：$ A=\frac{\frac{1}{2}\rho Stv^3}{St}=\frac{1}{2}\rho v^3 $。
【答案】
(1) 被撞距离的远近 转换法 (2) ① 不同 大 ② $ A=\frac{1}{2}\rho v^3 $
【知识点】
动能、转换法、能流密度
【点评】
本题考查动能探究实验的转换法应用、实验数据分析及公式推导，需掌握转换法的判断逻辑和动能公式的灵活运用，是中等难度的实验探究题。
【难度系数】
0.5
本题分为两个探究部分，需结合转换法的应用、实验数据对比及公式推导来解题：
1. 探究一中，动能大小无法直接观察，需通过转换法将其转化为易测量的物理量；
2. 探究二中，通过对比相同条件下小车被推动的距离判断能量多少，再结合能流密度定义推导表达式。
【解析】
（1）动能的大小无法直接观测，实验中通过木块被撞距离的远近间接反映小球动能的大小，这种将不易观测的物理量转换为易观测物理量的方法是转换法。
（2）① 相同时间、相同面积下，风推动小车移动0.3cm，水流推动小车移动79cm，说明小车获得的能量不同；水流推动小车距离更远，说明水能提供的能量更多，因此水能的能流密度比风能大。
② 根据能流密度定义：单位时间、单位面积获得的能量，即 $ A=\frac{E_k}{St} $。
t时间内，流过面积S的水的体积 $ V=Svt $，质量 $ m=\rho V=\rho Svt $；
水的动能 $ E_k=\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}·\rho Svt· v^2=\frac{1}{2}\rho Stv^3 $；
代入能流密度公式化简得：$ A=\frac{\frac{1}{2}\rho Stv^3}{St}=\frac{1}{2}\rho v^3 $。
【答案】
(1) 被撞距离的远近 转换法 (2) ① 不同 大 ② $ A=\frac{1}{2}\rho v^3 $
【知识点】
动能、转换法、能流密度
【点评】
本题考查动能探究实验的转换法应用、实验数据分析及公式推导，需掌握转换法的判断逻辑和动能公式的灵活运用，是中等难度的实验探究题。
【难度系数】
0.5
