《压强和浮力》探究题剖析
逍遥学能 2018-04-04 15:25
《压强和浮力》探究题剖析
物理是一门实验科学，科学探究是物理教材及中考的重点。在试题设置及实际探究过程中，有涉及探究七个要素完整的探究，也有只涉及其中一些细节的部分要素的不完整探究。
一、影响压力作用的效果
例1 为了探究压力的作用效果与哪些因素有关，某同学用若干个同种材料制成的不同物体放在同一水平细沙面上，进行了三组实验，并记录有关数据分别如表一、表二、表三所示。实验时，他仔细观察沙面的凹陷程度，并通过比较，发现每一组沙面的凹陷程度相同，而各组却不同，第一组凹陷程度最大，第二组其次，第三组最小。
表一 表二 表三
|
实验序号 |
压力（N） |
受力面积（cm2） |
|
实验
序号 |
压力（N） |
受力面积（cm2） |
|
实验序号 |
压力（N） |
受力面积（cm2） |
|
1 |
6．0 |
10 |
4 |
3．0 |
10 |
7 |
3．0 |
20 |
|
2 |
9．0 |
15 |
5 |
4．5 |
15 |
8 |
4．5 |
30 |
|
3 |
12 |
20 |
6 |
6．0 |
20 |
9 |
6．0 |
40 |
⑴分析比较实验序号1与4（或2与5、3与6）及观察到的现象，可得出的初步结论是________。
⑵分析比较_______及观察到的现象，可得出的初步结论是：当压力相同时，受力面积越小，压力的作用效果越显著。
⑶请进一步综合分析比较表一、表二、表三中的数据及观察到的现象，并归纳得出结论。
①分析比较得_______；②分析比较得_______。
分析：本题除考查同学们对压力作用效果的掌握程度外，着重考查了同学们对数据表格的分析和处理能力。另外还考查同学们对控制变量法的理解和运用，即在分析压力的大小影响作用效果时，必须控制受力面积不变；在分析受力面积的大小影响作用效果时，必须控制压力的大小不变。
答案：⑴受力面积相同，压力越大，产生的效果越显著；⑵1、6、9；⑶①受力面积相同，压力越大，压力产生的效果越显著；②压力相同，受力面积越小，压力产生的效果越显著。
学法指导：控制变量法是研究物理问题的重要方法之一，在研究某物理量可能与两个和两个以上的因素有关时都要考虑变量控制。如：实验研究影响液体蒸发快慢的因素；通过导体的电流与导体两端的电压及导体的电阻关系；液体压强与液体密度及液体深度关系等都用到了控制变量法。同学们在解答这类题目时，需先分析要研究的是什么量，影响该量的因素可能有哪些，若有两个或两个以上的影响因素，就要考虑用控制变量法来研究。
二、测量大气压
例2 在测量大气压的实验中，某同学将玻璃板放在桌子上，用吸盘贴在玻璃板上面，用弹簧测力计将吸盘缓慢向上拉，直到吸盘脱离板面。问：
（1）实验原理是什么？
（2）某同学做实验时发现弹簧测力计的量程太小，不能测出吸盘脱离板面时的拉力。请你选择其他器材与这只弹簧测力计组合，测出吸盘脱离板面时的拉力，要求写出用到的器材和方法。
分析：本题取材于《大气压强》“想想做做”实验，其原理包括平衡力和压强知识，如图1所示，吸盘受到两个力的作用：一是大气作用在吸盘上的大气压力F大，其大小始终不变；另一个是弹簧测力计对吸盘向上的拉力F拉，其大小随吸盘被缓慢上拉的同时逐渐增大，F大和F拉是同直线上反方向的两个力，当F拉略大于F大时，（粗略认为F拉等于F大，即平衡）吸盘被拉离玻璃板，读出此时弹簧测力计的示数，便间接得出F大（F大 =F拉），用尺测出吸盘的直径D，算出其面积S=πD2/4，即大气压的作用面积，借助压强公式P=F/S可以粗略算出大气压P=4F拉/πD2。
若吸盘面积较大，吸盘受到的大气压力F大将较大，超过了常用弹簧测力计的量程，这就需要辅助于省力机械来测量，本题第（2）问就是针对可能出现的这种情况设计的。
答案：（1）实验原理：二力平衡的条件F大=F拉和压强公式P=F/S。（2）法（一）：如图2所示取一轻质杠杆（质量忽略不计），为使OA、OB分别为阻力臂L2和动力臂L1以便测量，须让杠杆处于水平位置，人手作用于玻璃板上向下缓慢拉动，读出拉开玻璃板时弹簧测力计的示数F1，便可算出F大=F2=F1L1/L2。法（二）：如图3所示，取一轻质动滑轮，缓慢向上拉动弹簧测力计，读出刚拉开玻璃板时弹簧测力计的示数F1，算出大气压力F大=2F1。
学法指导：挖掘教材实验进行考查是近年各地中考的重点。对教材中的每个探究实验，同学们不仅要从整体上了解实验的意图、原理、实验器材及方法，同时要善于剖析实验细节，如实验中可能出现的现象分析，实验方案改进，结论评估等。
三、探究液体内部压强
例3 杨扬同学用如图4所示的压强计研究液体内部压强的特点，实验时，他将压强计的橡皮膜置于水中不同深度，并调节橡皮膜在水中的方向，得到如下数据。
|
实验 |
橡皮膜朝向 |
深度 |
压强计U型管 |
|
左液面 |
右液面 |
液面高度差 |
|
1 |
朝上 |
3cm |
9cm |
12cm |
3cm |
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2 |
朝左 |
3cm |
9cm |
12cm |
3cm |
|
3 |
朝下 |
3cm |
9cm |
12cm |
3cm |
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4 |
朝上 |
6cm |
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13．5cm |
6cm |
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5 |
朝上 |
9cm |
6cm |
|
9cm |
⑴分析表格数据，将漏掉的数据补上。
⑵由实验1、2、3，可得出结论：_________________________________________。
⑶由实验_______________，可得出结论：液体内部的压强随深度的增加而增大。
⑷杨扬想完成研究液体内部压强与液体密度关系的实验，请你帮助他设计一个可行的方案。
分析：本题表格数据是学生实验的再现，重在考查学生对实验过程的理解。压强计的橡皮膜受到压强时，其U型管左右液面出现高度差，反过来当压强计U型管左右液面出现高度差则说明橡皮膜受到了压强，高度差越大则压强越大。设计研究液体内部压强与液体密度关系的实验方案要采用控制变量法，即橡皮膜在液体中的深度不变。
答案：（1）7．5 15。（2）液体内部向各个方向都有压强，同一深度处液体向各个方向的压强都相等。（3）①如图4取一杯水，将压强计的橡皮膜置于水中一定深度处，记下U型管左右液面高度，算出液面高度差h1；②将杯中的水换成盐水，将压强计的橡皮膜置于盐水中相同深度处，记下U型管左右液面高度，算出液面高度差h2；③比较h1与h2 的大小得出结论。
学法指导：物理实验数据大多以表格形式呈现，分析处理表格数据是实验能力的重要方面。在我们所学的物理知识中，主要有三类表格数据：一是成正比或反比型的数据，如：实验研究欧姆定律、物体质量与体积的关系、物体重力与质量的关系、液体压强与深度关系等；二是比较型的数据，如实验测灯泡的电阻、串联电路的电流关系、并联电路的电压关系、摩擦力大小与压力的关系等；三是求和（或求积）型数据，如：实验测串联电路的电压关系、并联电路的电流关系、杠杆的平衡条件等。
四、验证阿基米德原理
例4 在《浮力的利用》教学课堂上，王老师做了一个演示实验：取一块牙膏皮，首先将它揉成团放入盛水的烧杯中，观察到“牙膏皮团”下沉，然后将它展开做成帽形放入水中，观察到“牙膏皮帽”浮于水面上。王老师提问：两次不同的实验现象告诉我们什么？李亮同学马上举手回答：实验说明物体所受的浮力与物体的形状有关。
（1）你赞同他的观点吗？简要谈谈你的看法。
（2）若给你一些器材：弹簧测力计、三个形状不同的小石块、橡皮泥、烧杯、细线和水，你将选择哪些器材实验证明你的观点，写出实验所需器材及你的探究方案。
（3）你将如何根据探究过程中观察到的现象或获得的数据得出结论。
分析：本题重在考查学生设计实验与归纳分析得出结论的能力。由阿基米德原理F浮=ρ液gv排 得物体所受浮力只与液体密度和物体排开液体的体积有关，而与物体形状无关，改变牙膏皮的形状实质是引起了物体排开液体体积的变化，从而使浮力改变。在探究物体所受浮力与物体形状是否有关时，要采用控制变量法，即控制体积不变，改变形状，其中可供选择的器材中橡皮泥能满足要求。此实验的关键在于设计对比性实验，利用两次称量去比较橡皮泥在形状改变时所受浮力大小得出结论。
答案：（1）不赞同。由阿基米德原理F浮=ρ液gv排 得物体所受浮力只与液体密度和物体排开液体的体积有关，而与物体形状无关，改变牙膏皮的形状实质是引起了物体排开液体体积的变化，从而使浮力改变。（2）实验器材：弹簧测力计、橡皮泥、烧杯、细线和水。探究方案：①用细线将橡皮泥吊在弹簧测力计上，测出橡皮泥的重G；②将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F1，算出浮力F浮1=G-F1；③改变橡皮泥的形状，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F2，算出浮力F浮2=G-F2；④再改变橡皮泥的形状，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F3，算出浮力F浮3=G-F3。（3）比较三次橡皮泥在水中受到的浮力，若大小相等，说明浮力大小与形状无关；若大小不等，说明浮力大小与形状有关。
学法指导：实验探究是课改来中考的重点，本题从实验设计、分析论证、评估三个方面对学生进行科学探究能力考查。在设计实验时，同学们要注意实验方案的可操作性、准确性和严密性，方案所涉及的实验器材、物理量及表达式都要明确表示出来；分析论证是对可能发生的现象或实验数据进行归纳，因果推导得出结论的过程，大多可以“如果……，那么……”句式呈现；评估所涉及的范围很多，如评估实验方案的好坏，评估结论对错，评估实验器材的选择是否恰当等。在评估时不仅要鲜明表达自己的观点，还要运用物理原理或规律加以分析说明。
在学习《压强和浮力》内容时，不仅要注意教材中几个实验的分析与把握，弄清实验原理，掌握实验方法与步骤，理解实验现象与结论。更要注意加强知识与生产生活、科技社会的联系，这也是近年中考的重心所在。
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