蹦極中的能量轉(zhuǎn)化

圖 12 - 1 - 2 是某同學(xué)做的模擬蹦極的小實(shí)驗(yàn)。在橡皮筋的一端系一個(gè)石塊,另一端固定在 A 點(diǎn),B 點(diǎn)是橡皮筋不系石塊自然下垂時(shí)下端所在的位置,C 點(diǎn)是石塊從 A 點(diǎn)自由下落所能到達(dá)的最低點(diǎn)。在從 A 點(diǎn)到 C 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,石塊的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的?
從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的過(guò)程中,橡皮筋沒(méi)有發(fā)生彈性形變,因而沒(méi)有彈性勢(shì)能,石塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
從 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)的過(guò)程分為兩段。第一段是從橡皮筋開(kāi)始產(chǎn)生彈力的 B 點(diǎn),到彈力等于石塊重力的位置(在 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)之間的某一點(diǎn),設(shè)為 D 點(diǎn),圖中未標(biāo)出)。由于初始時(shí)橡皮筋的彈力比石塊的重力小,所以合力向下,石塊向下做加速運(yùn)動(dòng)。但是,在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,彈力越來(lái)越大,當(dāng)彈力等于重力時(shí),石塊的動(dòng)能最大。該過(guò)程中,石塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為石塊的動(dòng)能和橡皮筋的彈性勢(shì)能。第二段是從 D 點(diǎn)到 C 點(diǎn)。由于該過(guò)程中彈力大于重力,石塊所受的合力向上,向下做減速運(yùn)動(dòng),直至速度為 0,即石塊的動(dòng)能為 0。該過(guò)程中,石塊的重力勢(shì)能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能。石塊到達(dá)最低點(diǎn)(即速度為 0)時(shí),橡皮筋的彈性勢(shì)能最大。
所以,石塊從 A 點(diǎn)到 C 點(diǎn)的過(guò)程中,彈性勢(shì)能由 0 到最大。在下落過(guò)程中,石塊的重力勢(shì)能不斷減小,到 C 點(diǎn)時(shí)最??;石塊的動(dòng)能先變大后變小,最終為 0。石塊動(dòng)能最大的位置在 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)之間的彈力等于重力的位置。