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例1 同学们在探究重力势能的大小与哪些因素有关时,提出了如下猜想。
猜想一:物体的重力势能与物体的质量有关。
猜想二:物体的重力势能与物体所处高度有关。
为了验证上述猜想,他们利用小桌、沙子、透明的箱子、质量不同的钩码进行实验。把小桌放在平整的沙面上,让钩码从高处落下,撞击桌面的中心部位,桌腿陷入沙子。实验过程中的有关情景如图所示。
(1)实验探究的是(选填“钩码”或“小桌”)的重力势能。
(2)实验中通过比较来判断物体重力势能的大小。
(3)通过比较(选填“甲、乙”“乙、丙”“丙、丁”或“甲、丁”)两图,可得出实验结论:。
(4)如图所示的实验(选填“能”或“不能”)顺利验证两个猜想。
猜想一:物体的重力势能与物体的质量有关。
猜想二:物体的重力势能与物体所处高度有关。
为了验证上述猜想,他们利用小桌、沙子、透明的箱子、质量不同的钩码进行实验。把小桌放在平整的沙面上,让钩码从高处落下,撞击桌面的中心部位,桌腿陷入沙子。实验过程中的有关情景如图所示。
(1)实验探究的是(选填“钩码”或“小桌”)的重力势能。
(2)实验中通过比较来判断物体重力势能的大小。
(3)通过比较(选填“甲、乙”“乙、丙”“丙、丁”或“甲、丁”)两图,可得出实验结论:。
(4)如图所示的实验(选填“能”或“不能”)顺利验证两个猜想。
答案
钩码
桌腿陷入沙子的深度
甲、乙
物体的质量相同时，所处位置越高，重力势能越大
不能
桌腿陷入沙子的深度
甲、乙
物体的质量相同时，所处位置越高，重力势能越大
不能
解析
【分析】
1. 第(1)问：实验中是钩码从高处落下撞击小桌，通过小桌的下陷情况来体现物体的重力势能，所以探究的是钩码的重力势能。
2. 第(2)问：重力势能的大小无法直接观察，实验采用转换法，将钩码重力势能的大小转换为桌腿陷入沙子的深度，深度越深，钩码的重力势能越大。
3. 第(3)问：验证重力势能与高度的关系，需控制质量相同、改变高度。甲、乙两图中钩码质量相同，下落高度不同，符合控制变量要求，通过桌腿下陷深度可得出对应结论。
4. 第(4)问：验证重力势能与质量的关系，需要控制高度相同、改变质量，但现有实验中没有满足该条件的两组实验，无法验证猜想一，因此不能顺利验证两个猜想。
【解析】
(1) 实验中，钩码从高处落下撞击小桌，小桌的下陷程度反映钩码具有的能量，因此探究的是钩码的重力势能。
(2) 重力势能的大小无法直接测量，实验中通过比较桌腿陷入沙子的深度来间接判断钩码重力势能的大小，这是转换法的应用。
(3) 要验证猜想二（重力势能与高度有关），需控制质量相同，改变下落高度。甲、乙两图中钩码质量均为$m$，下落高度分别为$h$和$2h$，乙图中桌腿陷入沙子更深，可得出结论：物体的质量相同时，所处位置越高，重力势能越大。
(4) 验证猜想一（重力势能与质量有关），需要控制下落高度相同，改变钩码质量。观察四幅图，没有高度相同、质量不同的两组实验，无法验证猜想一，故实验不能顺利验证两个猜想。
【答案】
(1) 钩码
(2) 桌腿陷入沙子的深度
(3) 甲、乙；物体的质量相同时，所处位置越高，重力势能越大
(4) 不能
【知识点】
重力势能的影响因素、转换法、控制变量法
【点评】
本题以重力势能的探究实验为载体，重点考查控制变量法和转换法在实验中的应用，要求学生明确实验设计逻辑，掌握探究物理量影响因素的实验思路。
【难度系数】
0.6
1. 第(1)问：实验中是钩码从高处落下撞击小桌，通过小桌的下陷情况来体现物体的重力势能，所以探究的是钩码的重力势能。
2. 第(2)问：重力势能的大小无法直接观察，实验采用转换法，将钩码重力势能的大小转换为桌腿陷入沙子的深度，深度越深，钩码的重力势能越大。
3. 第(3)问：验证重力势能与高度的关系，需控制质量相同、改变高度。甲、乙两图中钩码质量相同，下落高度不同，符合控制变量要求，通过桌腿下陷深度可得出对应结论。
4. 第(4)问：验证重力势能与质量的关系，需要控制高度相同、改变质量，但现有实验中没有满足该条件的两组实验，无法验证猜想一，因此不能顺利验证两个猜想。
【解析】
(1) 实验中，钩码从高处落下撞击小桌，小桌的下陷程度反映钩码具有的能量，因此探究的是钩码的重力势能。
(2) 重力势能的大小无法直接测量，实验中通过比较桌腿陷入沙子的深度来间接判断钩码重力势能的大小，这是转换法的应用。
(3) 要验证猜想二（重力势能与高度有关），需控制质量相同，改变下落高度。甲、乙两图中钩码质量均为$m$，下落高度分别为$h$和$2h$，乙图中桌腿陷入沙子更深，可得出结论：物体的质量相同时，所处位置越高，重力势能越大。
(4) 验证猜想一（重力势能与质量有关），需要控制下落高度相同，改变钩码质量。观察四幅图，没有高度相同、质量不同的两组实验，无法验证猜想一，故实验不能顺利验证两个猜想。
【答案】
(1) 钩码
(2) 桌腿陷入沙子的深度
(3) 甲、乙；物体的质量相同时，所处位置越高，重力势能越大
(4) 不能
【知识点】
重力势能的影响因素、转换法、控制变量法
【点评】
本题以重力势能的探究实验为载体，重点考查控制变量法和转换法在实验中的应用，要求学生明确实验设计逻辑，掌握探究物理量影响因素的实验思路。
【难度系数】
0.6
例2 在探究弹性势能的大小跟哪些因素有关时,小明提出如下猜想。
猜想一:弹簧弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关。
猜想二:弹簧弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
(1)为验证猜想一,他设计了如图所示的实验(小球质量大于木块的质量),实验时将同一弹簧压缩不同的长度(弹簧被压缩后未超过其弹性限度),将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的同一木块,分析比较，从而得出弹性势能的大小。
(2)为验证猜想二,需选用长度和粗细相同,材料的两根弹簧,实验时将两根弹簧压缩(选填“相同”或“不同”)的长度,将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的同一木块。对数据进行比较分析,若，则说明弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
猜想一:弹簧弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关。
猜想二:弹簧弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
(1)为验证猜想一,他设计了如图所示的实验(小球质量大于木块的质量),实验时将同一弹簧压缩不同的长度(弹簧被压缩后未超过其弹性限度),将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的同一木块,分析比较，从而得出弹性势能的大小。
(2)为验证猜想二,需选用长度和粗细相同,材料的两根弹簧,实验时将两根弹簧压缩(选填“相同”或“不同”)的长度,将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的同一木块。对数据进行比较分析,若，则说明弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
答案
木块移动的距离
不同
相同
木块移动的距离不同
运动
越大
质量
越大
不同
相同
木块移动的距离不同
运动
越大
质量
越大
解析
【分析】
本题探究弹性势能的影响因素，需运用转换法和控制变量法解题：
（1）弹性势能无法直接测量，因此采用转换法，将弹簧弹性势能转化为小球的动能，再通过小球推动木块移动的距离间接反映弹性势能大小——弹性势能越大，小球获得的动能越大，对木块做功越多，木块移动距离越远。
（2）验证猜想二时，根据控制变量法，需控制弹簧的长度、粗细、压缩程度相同，仅改变材料；若压缩相同长度后，木块移动距离不同，说明弹性势能与材料有关。
【解析】
（1）验证猜想一的实验中，利用转换法，通过观察木块移动的距离来判断弹簧弹性势能的大小：木块移动距离越远，说明弹簧的弹性势能越大。
（2）验证猜想二时，根据控制变量法：
① 需选用长度和粗细相同、材料不同的两根弹簧（控制其他变量相同，仅改变材料）；
② 实验时将两根弹簧压缩相同的长度（保证压缩程度一致，控制变量）；
③ 若松开后木块移动的距离不同，说明不同材料的弹簧在相同压缩程度下弹性势能不同，即弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
【答案】
(1) 木块移动的距离
(2) 不同；相同；木块移动的距离不同
【知识点】
转换法的应用；控制变量法；弹性势能的影响因素
【点评】
本题聚焦物理实验核心方法，通过转换法将不可直接测量的弹性势能转化为可见的木块移动距离，利用控制变量法探究不同因素对弹性势能的影响，是力学实验中典型的方法应用类题目，有助于加深对实验研究方法的理解。
【难度系数】
0.6
本题探究弹性势能的影响因素，需运用转换法和控制变量法解题：
（1）弹性势能无法直接测量，因此采用转换法，将弹簧弹性势能转化为小球的动能，再通过小球推动木块移动的距离间接反映弹性势能大小——弹性势能越大，小球获得的动能越大，对木块做功越多，木块移动距离越远。
（2）验证猜想二时，根据控制变量法，需控制弹簧的长度、粗细、压缩程度相同，仅改变材料；若压缩相同长度后，木块移动距离不同，说明弹性势能与材料有关。
【解析】
（1）验证猜想一的实验中，利用转换法，通过观察木块移动的距离来判断弹簧弹性势能的大小：木块移动距离越远，说明弹簧的弹性势能越大。
（2）验证猜想二时，根据控制变量法：
① 需选用长度和粗细相同、材料不同的两根弹簧（控制其他变量相同，仅改变材料）；
② 实验时将两根弹簧压缩相同的长度（保证压缩程度一致，控制变量）；
③ 若松开后木块移动的距离不同，说明不同材料的弹簧在相同压缩程度下弹性势能不同，即弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
【答案】
(1) 木块移动的距离
(2) 不同；相同；木块移动的距离不同
【知识点】
转换法的应用；控制变量法；弹性势能的影响因素
【点评】
本题聚焦物理实验核心方法，通过转换法将不可直接测量的弹性势能转化为可见的木块移动距离，利用控制变量法探究不同因素对弹性势能的影响，是力学实验中典型的方法应用类题目，有助于加深对实验研究方法的理解。
【难度系数】
0.6
