Question

在探究重力势能与什么因素有关时，同学们经过讨论，提出如下猜想：重力势能的大小可能跟物体的质量有关；也可能跟物体的高度有关．下面是小明和小聪关于这个问题讨论后的实验设计．

设计一：让质量为m的物体从不同高度落向插入沙坑中的木桩．
设计二：让质量为m和2m的两个大小不同的物体从同一高度落向插入沙坑中的木桩．
实验发现B比A插入得深，D比C插入得深，如图1所示．请解答下列问题：
（1）要探究重力势能与高度的关系应选用

设计一

．
（2）根据设计二及实验结果的图示，可得出的结论是

在高度一定时，物体的质量越大，重力势能越大

．
（3）如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务．如图2是某轻轨车站的设计方案示意图，该图表明与站台前后连接的轨道都有一个小坡度．请你说明这种设计可以节能的理由：

车进站时的部分动能转化为重力势能，减小因刹车消耗的机械能；车出站时储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用

．

Answer 1

分析：（1）影响物体重力势能大小的因素有多个，要探究重力势与高度的关系，应保证物体的质量相同．
（2）由乙图可知，两个质量不同的物体从同一高度下落，通过观察木桩陷入沙中的深度可知重力势能与质量的关系．
（3）我们可以从影响能量大小的因素来分析能量的变化，找到解决问题的方法．

解答：解：（1）设计一是让质量相同的物体从不同高度落向插入沙坑中的木桩，通过木桩陷入沙中的深度来反映重力势能的大小，也就是探究重力势与高度的关系．
（2）分析乙图中C、D可知，在物体的高度一定时，质量越大，物体的重力势能也越大．
（3）进站时，列车上坡，动能减小重力势能增加，将动能转化为重力势能；出站时，列车下坡，重力势能减小动能增加，将重力势能转化为动能，使列车开动节约能源．
故答案是：（1）设计一；（2）在物体的高度一定时，物体的质量越大，重力势能越大；（3）车进站时的部分动能转化为重力势能，减小因刹车消耗的机械能；车出站时储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用．

点评：在该实验探究中，是采用转换法和控制变量法来研究重力势与质量及高度的关系，解题的关键是要清楚研究一个影响因素时，必须保证其它的影响因素相同．同时要求学生对物理知识有一个全面的了解并能学以致用．