Question

在探究重力勢能與什么因素有關(guān)時，同學(xué)們經(jīng)過討論，提出如下猜想：重力勢能的大小可能跟物體的質(zhì)量有關(guān)；也可能跟物體的高度有關(guān)．下面是小明和小聰關(guān)于這個問題討論后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．

設(shè)計(jì)一：讓質(zhì)量為m的物體從不同高度落向插入沙坑中的木樁．
設(shè)計(jì)二：讓質(zhì)量為m和2m的兩個大小不同的物體從同一高度落向插入沙坑中的木樁．
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)B比A插入得深，D比C插入得深，如圖1所示．請解答下列問題：
（1）要探究重力勢能與高度的關(guān)系應(yīng)選用

設(shè)計(jì)一

．
（2）根據(jù)設(shè)計(jì)二及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖示，可得出的結(jié)論是

在高度一定時，物體的質(zhì)量越大，重力勢能越大

．
（3）如何有效地提高能量利用率是人類所面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)．如圖2是某輕軌車站的設(shè)計(jì)方案示意圖，該圖表明與站臺前后連接的軌道都有一個小坡度．請你說明這種設(shè)計(jì)可以節(jié)能的理由：

車進(jìn)站時的部分動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，減小因剎車消耗的機(jī)械能；車出站時儲存的重力勢能又轉(zhuǎn)化為動能，起到節(jié)能的作用

．

Answer 1

分析：（1）影響物體重力勢能大小的因素有多個，要探究重力勢與高度的關(guān)系，應(yīng)保證物體的質(zhì)量相同．
（2）由乙圖可知，兩個質(zhì)量不同的物體從同一高度下落，通過觀察木樁陷入沙中的深度可知重力勢能與質(zhì)量的關(guān)系．
（3）我們可以從影響能量大小的因素來分析能量的變化，找到解決問題的方法．

解答：解：（1）設(shè)計(jì)一是讓質(zhì)量相同的物體從不同高度落向插入沙坑中的木樁，通過木樁陷入沙中的深度來反映重力勢能的大小，也就是探究重力勢與高度的關(guān)系．
（2）分析乙圖中C、D可知，在物體的高度一定時，質(zhì)量越大，物體的重力勢能也越大．
（3）進(jìn)站時，列車上坡，動能減小重力勢能增加，將動能轉(zhuǎn)化為重力勢能；出站時，列車下坡，重力勢能減小動能增加，將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，使列車開動節(jié)約能源．
故答案是：（1）設(shè)計(jì)一；（2）在物體的高度一定時，物體的質(zhì)量越大，重力勢能越大；（3）車進(jìn)站時的部分動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，減小因剎車消耗的機(jī)械能；車出站時儲存的重力勢能又轉(zhuǎn)化為動能，起到節(jié)能的作用．

點(diǎn)評：在該實(shí)驗(yàn)探究中，是采用轉(zhuǎn)換法和控制變量法來研究重力勢與質(zhì)量及高度的關(guān)系，解題的關(guān)鍵是要清楚研究一個影響因素時，必須保證其它的影響因素相同．同時要求學(xué)生對物理知識有一個全面的了解并能學(xué)以致用．