10. (★★★)如图 11-11 所示,在研究“物体动能与质量和速度的关系”实验中,将钢球从某一高度由静止释放,钢球摆到竖直位置时,撞击水平木板上的木块,将木块撞出一段距离。实验数据记录在下表中。


(1)本实验使钢球获得动能的操作方法是。
(2)从上表中数据可以看出,实验中控制了相同,从而探究动能与的关系。(填“质量”或“速度”)
(3)第3次实验时,木块被撞后滑出木板,无法记录数据,需要重做第3次实验。甲同学建议换用同样较长的木板,乙同学建议换一个较大的木块,丙同学建议降低钢球下摆的高度,你认为应当采用同学的建议。
(4)由上述实验数据和现象可得出结论:。

让钢球从高处摆下
速度
质量
甲
物体速度一定时，质量越大，动能越大

【分析】
1. 对于第(1)问：要思考钢球动能的来源，实验中是通过将钢球从高处由静止释放，使其下摆，重力势能转化为动能，从而让钢球获得动能。
2. 对于第(2)问：根据控制变量法，分析实验中不变的量和改变的量。从实验设计看，钢球下摆高度相同则到达撞击位置的速度相同，改变的是钢球质量，所以控制速度相同，探究动能与质量的关系。
3. 对于第(3)问：实验要保证控制的变量不变，乙同学换大木块会改变木块与木板间的摩擦力，丙同学降低高度会改变钢球速度，都不符合控制变量要求；甲同学换长木板，能让木块在木板上停下且不改变实验变量，符合要求。
4. 对于第(4)问：根据实验现象，速度相同时，钢球质量越大，木块被撞出的距离越远，说明动能越大，据此总结结论。
【解析】
(1) 实验中，将钢球从某一高度由静止释放，让钢球从高处摆下，钢球的重力势能转化为动能，从而使钢球获得动能，所以操作方法是让钢球从高处摆下。
(2) 由实验数据可知，三次实验中钢球下摆的高度相同，这意味着钢球摆到竖直位置时的速度相同，而钢球的质量不同，因此实验控制了速度相同，探究动能与质量的关系。
(3) 第3次实验木块滑出木板，乙同学换较大木块会改变木块对木板的压力，从而改变摩擦力，影响木块滑行距离的测量；丙同学降低钢球下摆高度，会减小钢球撞击木块时的速度，改变了实验控制的变量；甲同学换同样较长的木板，既能让木块在木板上停下以记录数据，又不会改变实验的变量，所以应当采用甲同学的建议。
(4) 从实验数据和现象可以看出，当钢球的速度相同时，钢球的质量越大，木块被撞出的距离越远，说明钢球的动能越大，因此得出结论：物体速度一定时，质量越大，动能越大。
【答案】
(1) 让钢球从高处摆下
(2) 速度；质量
(3) 甲
(4) 物体速度一定时，质量越大，动能越大
【知识点】
动能的影响因素；控制变量法；转换法
【点评】
本题考查“物体动能与质量和速度的关系”的实验探究，重点考查控制变量法和转换法的应用，同时考查实验异常情况的处理，要求学生深入理解实验原理和变量控制的核心要求，提升实验分析和解决问题的能力。
【难度系数】
0.6

11. (★★★)某同学在体育活动中,从铅球下落陷入沙坑的深度情况猜想到:物体的重力势能可能与物体的质量、下落高度和运动路径有关。于是,该同学设计了如图 11-12 所示的实验:用大小、形状相同的A、B、C、D四个铅球,其中A、C、D三球质量均为$m$,B球质量为$2m$,让A、B两球从距沙坑表面高$H$处静止下落,C球从距沙坑表面高$2H$处静止下落,D球从距沙坑表面高$2H$处的光滑弯曲管道上端静止滑入,最后从管道下端竖直落下(球在光滑管道中运动的能量损失不计)。实验测得A、B两球陷入沙坑的深度分别为$h_{1}$和$h_{2}$,C、D两球陷入沙坑的深度均为$h_{3}$,且$h_{1}＜h_{2}＜h_{3}$。

(1)本实验中,铅球的重力势能大小是通过来反映的。
(2)比较A、B两球,发现B球陷入沙坑深度更大,由此可得出结论:。
(3)比较A、C两球,发现C球陷入沙坑深度更大,由此可得出结论:。
(4)比较C、D两球,发现两球运动的路径不同,但陷入沙坑的深度相同,由此可得出结论:物体的重力势能与物体运动的路径(填“有关”或“无关”)。

铅球陷入沙坑中的深度
高度相同时，质
量越大的物体，其重力势能越大
质量相同时，高
度越高的物体，其重力势能越大
无关

【分析】
本题是探究重力势能影响因素的实验题，需结合转换法和控制变量法分析：
1. 重力势能无法直接观测，需通过可观察的现象间接反映，实验中铅球陷入沙坑的深度能体现其重力势能大小，这是转换法的应用；
2. 探究重力势能与某一因素的关系时，要控制其他因素不变，即控制变量法：
分析A、B球时，控制下落高度和运动路径相同，改变质量，看陷入深度的差异；
分析A、C球时，控制质量和运动路径相同，改变下落高度，看陷入深度的差异；
分析C、D球时，控制质量和下落高度相同，改变运动路径，看陷入深度的差异，进而得出对应结论。
【解析】
(1) 重力势能的大小无法直接测量，实验中通过观察铅球陷入沙坑的深度来间接判断重力势能的大小，陷入沙坑越深，说明铅球的重力势能越大，这是转换法的应用。
(2) 比较A、B两球：下落高度均为$H$、运动路径相同，B球质量$2m$大于A球质量$m$，且B球陷入沙坑深度$h_2＞h_1$，因此可得结论：当下落高度和运动路径相同时，物体的质量越大，重力势能越大。
(3) 比较A、C两球：质量均为$m$、运动路径相同，C球下落高度$2H$大于A球下落高度$H$，且C球陷入沙坑深度$h_3＞h_1$，因此可得结论：当物体质量和运动路径相同时，物体下落的高度越高，重力势能越大。
(4) 比较C、D两球：质量均为$m$、下落高度均为$2H$，运动路径不同（C自由下落，D沿光滑管道下落），但陷入沙坑的深度均为$h_3$，说明两球重力势能相同，因此可得结论：物体的重力势能与物体运动的路径无关。
【答案】
(1) 铅球陷入沙坑的深度
(2) 当下落高度和运动路径相同时，物体的质量越大，重力势能越大
(3) 当物体质量和运动路径相同时，物体下落的高度越高，重力势能越大
(4) 无关
【知识点】
重力势能的影响因素；转换法；控制变量法
【点评】
本题核心考查转换法和控制变量法在实验探究中的应用，探究过程中需严格遵循控制变量的原则，每次只改变一个探究的变量，控制其他变量不变，从而准确分析该变量对重力势能的影响。
【难度系数】
0.6