Question

18．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．于是设计了如图所示的实验：用大小、形状相同的A、B、C、D四个铅球，其中A、C、D三球的质量为m，B球质量为2m，让A、B两球从距沙表面高H静止下落，C球从距沙表面高2H静止下落，D球从距沙表面高2H的光滑弯曲管道上端静止滑入，最后从管道下端竖直地落下（球在光滑管道中运动的能量损失不计）．实验测得A、B两球陷入沙深度分别为h₁和h₂，C、D两球陷入沙深度均为h₃，且 h₁＜h₂＜h₃．

（1）本实验中，铅球的重力势能大小是通过铅球陷入沙子的深度来反映的；
（2）比较C、D两球，发现两球运动的路径不同，但陷入沙深度相同，由此可得出结论：物体的重力势能与物体运动的路径无关（选填：“有关”或“无关”）．
（3）比较A、C两球，发现C球陷入沙深度更大，由此可得出结论：当物体质量相同时，下落的高度越高，物体的重力势能越大．
（4）比较A、B两球，发现B球陷入沙深度更大，由此 可得出结论：高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大．
（5）小球在下落过程陷入沙面前，将重力势能转化为动能，陷入沙中后到小球静止过程中，将机械能转化为内能．

Answer 1

分析 （1）实验中通过球陷入沙面的深度来反映铅球重力势能的大小，用到转换法；
（2）研究物体重力势能与运动路径的关系时，需要保持物体质量和下落高度相同，改变运动路径；
（3）研究物体重力势能与下落高度的关系时，需要保持物体质量和运动路径相同，改变下落高度；
（4）影响重力势能的因素有物体的质量和下落高度，实验中研究物体的重力势能与物体的质量关系时，需要保持下落高度和运动路径相同，改变物体质量；
（5）动能和势能合称机械能，一定条件下，动能和势能可以相互转化；物体克服摩擦做功，将机械能转化为内能．

解答 解：
（1）本实验中，铅球的重力势能大小是通过铅球陷入沙子的深度来反映的；
（2）比较C、D两球，两球的质量相同，下落高度也相同，两球的运动路径不同，但铅球陷入沙的深度相同，由此可得出结论：物体的重力势能与物体运动的路径无关；
（3）比较A、C两球可知，两球质量相同，下落路径也相同，C球的下落高度大于A球的下落高度，发现C球陷入沙深度更大，由此可得出结论：当物体的质量相同时，下落高度越高，物体的重力势能越大．
（4）比较A、B两球，下落高度和运动路径相同，B球质量大于A球质量，发现B球陷入沙深度更大，由此可得出结论：当下落高度一定时，物体的质量越大，重力势能越大；
（5）球在下落过程中，高度减小，速度增大，所以将重力势能转化为动能；当球陷入沙中，与沙子摩擦，最终静止，将机械能转化为内能．
故答案为：（1）铅球陷入沙子的深度；（2）无关；（3）A、C；（4）高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大；（5）动；内．

点评 此题考查学生对于物体重力势能影响因素探究过程及能量转化的理解和掌握，注意分析实验时控制变量法和转换法的应用．