《壓強和浮力》探究題剖析

來源：網絡資源 2009-08-29 10:25:00

物理是一門實驗科學，科學探究是物理教材及中考的重點。在試題設置及實際探究過程中，有涉及探究七個要素完整的探究，也有只涉及其中一些細節的部分要素的不完整探究。

　　一、影響壓力作用的效果

　　例1 為了探究壓力的作用效果與哪些因素有關，某同學用若干個同種材料制成的不同物體放在同一水平細沙面上，進行了三組實驗，并記錄有關數據分別如表一、表二、表三所示。實驗時，他仔細觀察沙面的凹陷程度，并通過比較，發現每一組沙面的凹陷程度相同，而各組卻不同，第一組凹陷程度最大，第二組其次，第三組最小。

表一表二表三

實驗序號	壓力（N）	受力面積（cm²）	實驗序號	壓力（N）	受力面積（cm²）	實驗序號	壓力（N）	受力面積（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分析比較實驗序號1與4（或2與5、3與6）及觀察到的現象，可得出的初步結論是________。

　　⑵分析比較_______及觀察到的現象，可得出的初步結論是：當壓力相同時，受力面積越小，壓力的作用效果越顯著。

　　⑶請進一步綜合分析比較表一、表二、表三中的數據及觀察到的現象，并歸納得出結論。

　　①分析比較得_______；②分析比較得_______。

　　分析：本題除考查同學們對壓力作用效果的掌握程度外，著重考查了同學們對數據表格的分析和處理能力。另外還考查同學們對控制變量法的理解和運用，即在分析壓力的大小影響作用效果時，必須控制受力面積不變；在分析受力面積的大小影響作用效果時，必須控制壓力的大小不變。

　　答案：⑴受力面積相同，壓力越大，產生的效果越顯著；⑵1、6、9；⑶①受力面積相同，壓力越大，壓力產生的效果越顯著；②壓力相同，受力面積越小，壓力產生的效果越顯著。

　　學法指導：控制變量法是研究物理問題的重要方法之一，在研究某物理量可能與兩個和兩個以上的因素有關時都要考慮變量控制。如：實驗研究影響液體蒸發快慢的因素；通過導體的電流與導體兩端的電壓及導體的電阻關系；液體壓強與液體密度及液體深度關系等都用到了控制變量法。同學們在解答這類題目時，需先分析要研究的是什么量，影響該量的因素可能有哪些，若有兩個或兩個以上的影響因素，就要考慮用控制變量法來研究。

　　二、測量大氣壓

　　例2 在測量大氣壓的實驗中，某同學將玻璃板放在桌子上，用吸盤貼在玻璃板上面，用彈簧測力計將吸盤緩慢向上拉，直到吸盤脫離板面。問：

　　（1）實驗原理是什么？

　　（2）某同學做實驗時發現彈簧測力計的量程太小，不能測出吸盤脫離板面時的拉力。請你選擇其他器材與這只彈簧測力計組合，測出吸盤脫離板面時的拉力，要求寫出用到的器材和方法。

　　分析：本題取材于《大氣壓強》“想想做做”實驗，其原理包括平衡力和壓強知識，如圖1所示，吸盤受到兩個力的作用：一是大氣作用在吸盤上的大氣壓力F_大，其大小始終不變；另一個是彈簧測力計對吸盤向上的拉力F_拉，其大小隨吸盤被緩慢上拉的同時逐漸增大，F_大和F_拉是同直線上反方向的兩個力，當F_拉略大于F_大時，（粗略認為F_拉等于F_大，即平衡）吸盤被拉離玻璃板，讀出此時彈簧測力計的示數，便間接得出F_大（F_大=F_拉），用尺測出吸盤的直徑D，算出其面積S=πD²/4，即大氣壓的作用面積，借助壓強公式P=F/S可以粗略算出大氣壓P=4F_拉/πD²。

　　若吸盤面積較大，吸盤受到的大氣壓力F_大將較大，超過了常用彈簧測力計的量程，這就需要輔助于省力機械來測量，本題第（2）問就是針對可能出現的這種情況設計的。

　　答案：（1）實驗原理：二力平衡的條件F_大=F_拉和壓強公式P=F/S。（2）法（一）：如圖2所示取一輕質杠桿（質量忽略不計），為使OA、OB分別為阻力臂L₂和動力臂L₁以便測量，須讓杠桿處于水平位置，人手作用于玻璃板上向下緩慢拉動，讀出拉開玻璃板時彈簧測力計的示數F₁，便可算出F_大=F₂=F₁L₁/L₂。法（二）：如圖3所示，取一輕質動滑輪，緩慢向上拉動彈簧測力計，讀出剛拉開玻璃板時彈簧測力計的示數F₁，算出大氣壓力F_大=2F₁。

　　學法指導：挖掘教材實驗進行考查是近年各地中考的重點。對教材中的每個探究實驗，同學們不僅要從整體上了解實驗的意圖、原理、實驗器材及方法，同時要善于剖析實驗細節，如實驗中可能出現的現象分析，實驗方案改進，結論評估等。

　　三、探究液體內部壓強

　　例3 楊揚同學用如圖4所示的壓強計研究液體內部壓強的特點，實驗時，他將壓強計的橡皮膜置于水中不同深度，并調節橡皮膜在水中的方向，得到如下數據。

實驗	橡皮膜朝向	深度	壓強計U型管
實驗	橡皮膜朝向	深度	左液面	右液面	液面高度差
1	朝上	3cm	9cm	12cm	3cm
2	朝左	3cm	9cm	12cm	3cm
3	朝下	3cm	9cm	12cm	3cm
4	朝上	6cm		13．5cm	6cm
5	朝上	9cm	6cm		9cm

　　⑴分析表格數據，將漏掉的數據補上。

　　⑵由實驗1、2、3，可得出結論：_________________________________________。

　　⑶由實驗_______________，可得出結論：液體內部的壓強隨深度的增加而增大。

　　⑷楊揚想完成研究液體內部壓強與液體密度關系的實驗，請你幫助他設計一個可行的方案。

　　分析：本題表格數據是學生實驗的再現，重在考查學生對實驗過程的理解。壓強計的橡皮膜受到壓強時，其U型管左右液面出現高度差，反過來當壓強計U型管左右液面出現高度差則說明橡皮膜受到了壓強，高度差越大則壓強越大。設計研究液體內部壓強與液體密度關系的實驗方案要采用控制變量法，即橡皮膜在液體中的深度不變。

　　答案：（1）7．5 15。（2）液體內部向各個方向都有壓強，同一深度處液體向各個方向的壓強都相等。（3）①如圖4取一杯水，將壓強計的橡皮膜置于水中一定深度處，記下U型管左右液面高度，算出液面高度差h₁；②將杯中的水換成鹽水，將壓強計的橡皮膜置于鹽水中相同深度處，記下U型管左右液面高度，算出液面高度差h₂；③比較h₁與h₂的大小得出結論。

　　學法指導：物理實驗數據大多以表格形式呈現，分析處理表格數據是實驗能力的重要方面。在我們所學的物理知識中，主要有三類表格數據：一是成正比或反比型的數據，如：實驗研究歐姆定律、物體質量與體積的關系、物體重力與質量的關系、液體壓強與深度關系等；二是比較型的數據，如實驗測燈泡的電阻、串聯電路的電流關系、并聯電路的電壓關系、摩擦力大小與壓力的關系等；三是求和（或求積）型數據，如：實驗測串聯電路的電壓關系、并聯電路的電流關系、杠桿的平衡條件等。

　　四、驗證阿基米德原理

　　例4 在《浮力的利用》教學課堂上，王老師做了一個演示實驗：取一塊牙膏皮，首先將它揉成團放入盛水的燒杯中，觀察到“牙膏皮團”下沉，然后將它展開做成帽形放入水中，觀察到“牙膏皮帽”浮于水面上。王老師提問：兩次不同的實驗現象告訴我們什么？李亮同學馬上舉手回答：實驗說明物體所受的浮力與物體的形狀有關。

　　（1）你贊同他的觀點嗎？簡要談談你的看法。

　　（2）若給你一些器材：彈簧測力計、三個形狀不同的小石塊、橡皮泥、燒杯、細線和水，你將選擇哪些器材實驗證明你的觀點，寫出實驗所需器材及你的探究方案。

　　（3）你將如何根據探究過程中觀察到的現象或獲得的數據得出結論。

　　分析：本題重在考查學生設計實驗與歸納分析得出結論的能力。由阿基米德原理F_浮=ρ_液gv_排得物體所受浮力只與液體密度和物體排開液體的體積有關，而與物體形狀無關，改變牙膏皮的形狀實質是引起了物體排開液體體積的變化，從而使浮力改變。在探究物體所受浮力與物體形狀是否有關時，要采用控制變量法，即控制體積不變，改變形狀，其中可供選擇的器材中橡皮泥能滿足要求。此實驗的關鍵在于設計對比性實驗，利用兩次稱量去比較橡皮泥在形狀改變時所受浮力大小得出結論。

　　答案：（1）不贊同。由阿基米德原理F_浮=ρ_液gv_排得物體所受浮力只與液體密度和物體排開液體的體積有關，而與物體形狀無關，改變牙膏皮的形狀實質是引起了物體排開液體體積的變化，從而使浮力改變。（2）實驗器材：彈簧測力計、橡皮泥、燒杯、細線和水。探究方案：①用細線將橡皮泥吊在彈簧測力計上，測出橡皮泥的重G；②將橡皮泥浸沒水中，記下測力計的示數F₁，算出浮力F_浮1=G-F₁；③改變橡皮泥的形狀，將橡皮泥浸沒水中，記下測力計的示數F₂，算出浮力F_浮2=G-F₂；④再改變橡皮泥的形狀，將橡皮泥浸沒水中，記下測力計的示數F₃，算出浮力F_浮3=G-F₃。（3）比較三次橡皮泥在水中受到的浮力，若大小相等，說明浮力大小與形狀無關；若大小不等，說明浮力大小與形狀有關。

　　學法指導：實驗探究是課改來中考的重點，本題從實驗設計、分析論證、評估三個方面對學生進行科學探究能力考查。在設計實驗時，同學們要注意實驗方案的可操作性、準確性和嚴密性，方案所涉及的實驗器材、物理量及表達式都要明確表示出來；分析論證是對可能發生的現象或實驗數據進行歸納，因果推導得出結論的過程，大多可以“如果……，那么……”句式呈現；評估所涉及的范圍很多，如評估實驗方案的好壞，評估結論對錯，評估實驗器材的選擇是否恰當等。在評估時不僅要鮮明表達自己的觀點，還要運用物理原理或規律加以分析說明。

　　在學習《壓強和浮力》內容時，不僅要注意教材中幾個實驗的分析與把握，弄清實驗原理，掌握實驗方法與步驟，理解實驗現象與結論。更要注意加強知識與生產生活、科技社會的聯系，這也是近年中考的重心所在。

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