4. 某同学设计了如图所示的实验以探究重力势能与哪些因素有关：用大小、形状相同的 A、B、C、D 四个铅球进行了四组实验（不计空气摩擦，球在管道中的能量损失不计）。实验测得 A、B 两球陷入沙子的深度分别为 $ h_{1} $ 和 $ h_{2} $，C、D 两球陷入沙子的深度为 $ 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；此外，实验还用到了另一种常见的物理实验研究方法：。
(2)比较两球，可得出结论：当下落高度相同时，物体质量越大，物体的重力势能越大。
（3）比较 A、C 两球，发现 C 球陷入沙子的深度更大，由此可得出结论：。
(4)比较 C、D 两球，发现两球运动路径不同，但陷入沙子的深度相同，由此可得出结论：物体的重力势能与物体运动的路径(选填“有关”或“无关”)。

4. (1) 比较球陷入沙子中的深度 控制变量法 (2) A、B (3) 在质量相同时，物体的高度越高，重力势能越大 (4) 无关

【分析】
本实验探究重力势能的影响因素，首先，重力势能是不可直接观测的物理量，所以需要通过转换法，将重力势能的大小转换为铅球陷入沙子的深度来反映，因为重力势能越大，铅球下落过程中对沙子做的功越多，陷入沙子的深度就越深。其次，探究多个因素对物理量的影响时，需用到控制变量法：
1. 对于第(1)问，思考如何间接反映重力势能，以及实验用到的研究方法；
2. 第(2)问要探究重力势能与质量的关系，需控制下落高度相同，改变质量，从图中找出符合条件的小球；
3. 第(3)问比较A、C两球，它们质量相同，下落高度不同，根据陷入深度的差异分析高度对重力势能的影响；
4. 第(4)问比较C、D两球，它们质量、下落高度相同，运动路径不同，根据陷入深度相同分析路径对重力势能的影响。
【解析】
(1) 重力势能的大小无法直接测量，实验中通过比较铅球陷入沙子中的深度来间接反映重力势能的大小，这是转换法的应用；在探究重力势能与质量、高度、运动路径的关系时，每次只改变一个变量，控制其他变量不变，用到了控制变量法。
(2) 要得出“当下落高度相同时，物体质量越大，物体的重力势能越大”的结论，需要控制下落高度相同，物体质量不同。由图可知，A、B两球下落高度均为H，质量分别为m和2m，符合控制变量的要求，所以比较A、B两球。
(3) A、C两球质量均为m，A球下落高度为H，C球下落高度为2H，C球陷入沙子的深度更大，说明在质量相同时，物体的高度越高，重力势能越大。
(4) C、D两球质量均为m，下落高度均为2H，只是运动路径不同，但陷入沙子的深度相同，说明物体的重力势能与物体运动的路径无关。
【答案】
(1) 铅球陷入沙子中的深度；控制变量法
(2) A、B
(3) 在质量相同时，物体的高度越高，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】
本题通过实验探究重力势能的影响因素，核心考查转换法和控制变量法在物理实验中的应用，要求学生理解如何将不可直接观测的物理量转换为可观测的现象，同时掌握控制变量法的应用逻辑，明确探究不同影响因素时的变量控制条件。
【难度系数】
0.6

5. 小明为研究“动能大小与哪些因素有关”设计了如图所示的实验：让小球静止从斜面上滚下后与固定在右端的弹簧碰撞，斜面底端和平面平滑相接。请结合实验回答下面的问题。

(1)实验中让同一小球从斜面上不同高度滚下，当高度(选填“越大”或“越小”)时，观察到弹簧被压缩得越短，说明小球动能大小与速度有关。
(2)为了研究动能大小是否和物体质量有关，应该让不同质量的小球从斜面上相同的高度滚下，这样做的目的是。
(3)实验中小明发现小球压缩弹簧后被弹簧弹回到斜面上，为了研究小球被弹回到斜面上的高度与哪些因素有关，小明分别将玻璃板、木板和毛巾铺在接触面(含斜面和水平面)上进行实验，而保证小球质量和高度(选填“相同”或“不同”)。发现当小球在玻璃表面滚动时被弹回的高度最大，在毛巾表面滚动时被弹回的高度最小。因此，小明认为小球被弹回的高度与接触面粗糙程度有关。
(4)小明在(3)实验所得结论基础上进行推理：接触面越光滑小球被弹回得越高，如果接触面光滑到没有摩擦，那么小球将()。
A. 沿着斜面匀速直线运动
B. 不能上升到初始高度，最终静止在水平面上
C. 上升到初始高度后静止
D. 能上升到初始高度，并在斜面和弹簧之间往复运动

5. (1) 越大 (2) 使小球到达水平面时速度相同 (3) 相同 (4) D

【解析】
(1) 实验中使用同一小球，质量不变，从斜面上不同高度滚下，高度越大，小球到达水平面时的速度越大，若弹簧被压缩得越短，说明小球动能越小，验证了动能大小与速度有关，故填“越大”。
(2) 研究动能大小与物体质量的关系时，需控制小球到达水平面时的速度相同，让不同质量的小球从斜面上相同高度滚下，就能使小球到达水平面时速度相同，这是控制变量法的应用。
(3) 研究小球被弹回的高度与接触面粗糙程度的关系时，要控制小球的质量和初始高度相同，改变接触面粗糙程度，所以此处填“相同”。
(4) 若接触面光滑到没有摩擦，小球的机械能不会有损失，能上升到初始高度，并且会在斜面和弹簧之间往复运动，故选D。
【答案】
(1) 越大
(2) 使小球到达水平面时速度相同
(3) 相同
(4) D
【知识点】
动能的影响因素、控制变量法、理想实验法
【点评】
本题通过实验探究动能的影响因素及相关机械能问题，综合考查了控制变量法、转换法和推理法的应用，着重培养学生的实验探究能力与逻辑推理能力。
【难度系数】
0.6