实验2 影响重力势能大小的因素

质量相同，高度不同。
转换法:通过来反映重力势能大小。
高度相同，质量不同。
【实验结论】
1.物体的重力势能与物体的和它所在位置的有关。
2.质量相同时，越高的物体具有的重力势能越。
3.高度相同时，质量越大的物体具有的重力势能越。
【交流评估】:每次实验前将沙盒中的沙面抹平；重物尽量砸在小桌中间，使小桌四条腿均匀陷入沙中，不要出现一边深一边浅的情况，不便于观察深度。

转换法空 小桌陷入沙中的深度
1. 质量 高度
2. 大
3. 大

【分析】
本题探究影响重力势能大小的因素，运用转换法和控制变量法。转换法将不易直接观察的重力势能大小转换为易测量的物理量，控制变量法探究某一因素影响时控制其他因素不变。实验中通过小桌陷入沙中的深度反映重力势能大小；对比甲、乙（质量相同、高度不同）得出高度的影响，对比乙、丙（高度相同、质量不同）得出质量的影响，进而总结结论。
【解析】
1. 转换法应用：重力势能大小无法直接观察，实验中通过小桌陷入沙中的深度反映重力势能大小，小桌陷入沙越深，重物重力势能越大。
2. 实验结论推导：
甲、乙实验：质量相同，乙中物体高度更高，小桌陷入沙更深，说明质量相同时，物体高度越高，重力势能越大；
乙、丙实验：高度相同，丙中物体质量更大，小桌陷入沙更深，说明高度相同时，物体质量越大，重力势能越大；
综上，物体的重力势能与质量和所在位置的高度有关。
【答案】
小桌陷入沙中的深度；1. 质量；高度；2. 大；3. 大
【知识点】
重力势能；转换法；控制变量法
【点评】
本题为基础实验题，考查探究重力势能影响因素的实验，核心是转换法与控制变量法的应用，需理解实验设计逻辑并通过现象总结结论，难度适中。
【难度系数】
0.6

一题通关
小桐在帮妈妈做馒头时,发现一个饮料瓶不小心落到了松软的面团上,在面团上留下较深的痕迹。于是他灵机一动,利用面团和装有水的饮料瓶进行探究影响重力势能大小因素的实验。

基础设施问
(1)总结实验①②③发现,重力势能的大小可由来体现,实验的重力势能最大。
(2)利用实验①②可探究重力势能大小与物体是否有关。
(3)《中华人民共和国民法典》中规定“禁止从建筑物中抛掷物品”,生活中更要杜绝“高空抛物”这种严重危害公共安全的行为。“高空抛物”危害性大的原因,可通过分析实验②③得出的结论来解释,请你写出该结论。。
拓展设问
(4)在这个实验中,瓶子在下落的过程中,它的能转化为能。
(5)一旁的妈妈通过实验①③认为物体的质量大,动能大,你认为小桐妈妈得出该结论的过程(选填“合理”或“不合理”)。

(1) 面团的凹陷程度 ③
(2) 质量
(3) 质量相等时,越高的物体具有的重力势能越大
(4) 重力势 动
(5) 不合理

【分析】
本题利用转换法和控制变量法探究重力势能的影响因素。首先明确：重力势能的大小无法直接观察，通过面团的凹陷程度（转换法）来体现，凹陷越深，重力势能越大；重力势能与质量和高度有关，探究某一因素的影响时需控制另一因素不变（控制变量法）。针对各小问：
（1）通过转换法判断重力势能大小，对比三个实验的面团凹陷程度，得出重力势能最大的实验；
（2）对比实验①②的变量（质量、高度），确定探究的因素；
（3）分析实验②③的变量，总结结论，解释高空抛物的危害；
（4）分析瓶子下落时能量的转化，重力势能随高度降低而减小，动能随速度增大而增大；
（5）判断实验①③是否控制了变量，得出结论是否合理。
【解析】
（1）实验中运用转换法，将重力势能的大小转换为面团的凹陷程度：重力势能越大，对面团做功越多，面团凹陷程度越大。观察图中，实验③的面团凹陷最深，因此实验③的重力势能最大。
（2）实验①和②中，瓶子的下落高度相同，瓶内装水的多少不同，即瓶子的总质量不同，因此可探究重力势能大小与物体质量是否有关。
（3）实验②和③中，瓶子的总质量相同，下落高度不同，且③的高度更大，面团凹陷更深，因此结论为：质量相等时，物体的高度越高，重力势能越大；高空抛物时，物体质量一定，高度越高，重力势能越大，下落过程中转化的动能越大，危害性越大。
（4）瓶子下落过程中，质量不变，高度减小，重力势能减小；速度增大，动能增大，因此重力势能转化为动能。
（5）要探究物体质量对动能的影响，需控制下落高度相同，而实验①和③中，瓶子的质量和下落高度都不同，未控制变量，因此小桐妈妈得出结论的过程不合理。
【答案】
(1) 面团的凹陷程度 ③
(2) 质量
(3) 质量相等时,越高的物体具有的重力势能越大
(4) 重力势 动
(5) 不合理
【知识点】
重力势能的影响因素、转换法、控制变量法
【点评】
本题结合生活实例（面团凹陷、高空抛物）探究重力势能的影响因素，重点考查转换法和控制变量法的应用，将物理知识与生活实际结合，难度适中，有助于理解重力势能的相关规律。
【难度系数】
0.5

[例1]在一次跳伞表演中，运动员在5 s的时间内竖直向下匀速降落了30 m。若运动员和降落伞作为整体受到的重力为1 000 N，求这个整体在该过程中：
(1)所受阻力的大小。
(2)所受重力做功的功率。

(1) 1 000 N
(2) 6 000 W
解析:(1)由题可知,运动员在做匀速直线运动,故受到的阻力与重力是一对平衡力,故阻力 f=G=1 000 N。
(2)重力做的功 W=Gh=1 000 N×30 m=3×10⁴ J,所受重力做功的功率 P=W/t=3×10⁴ J / 5 s=6 000 W。

【分析】
首先，根据题目中“匀速降落”的运动状态，判断整体受力平衡，竖直方向的重力与阻力是平衡力，可求出阻力大小；其次，求重力做功的功率，需先利用重力和下落距离计算重力做的功，再用功率公式计算功率。
【解析】
(1) 已知运动员和降落伞整体做匀速直线运动，处于平衡状态，竖直方向受到的重力和阻力是一对平衡力，根据二力平衡条件，平衡力大小相等，因此阻力 $ f = G = 1000\ \mathrm{N} $。
(2) 重力做的功 $ W = Gh = 1000\ \mathrm{N} × 30\ \mathrm{m} = 3 × 10^4\ \mathrm{J} $，根据功率公式 $ P = \frac{W}{t} $，代入时间 $ t = 5\ \mathrm{s} $，得功率 $ P = \frac{3 × 10^4\ \mathrm{J}}{5\ \mathrm{s}} = 6000\ \mathrm{W} $。
【答案】
(1) $ 1000\ \mathrm{N} $；(2) $ 6000\ \mathrm{W} $
【知识点】
二力平衡、功的计算、功率的计算
【点评】
本题为力学基础应用题，结合匀速直线运动的受力特点和功、功率的基本公式进行计算，考查学生对核心基础知识点的掌握与应用能力。
【难度系数】
0.6