《壓強和浮力》探究題剖析
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )資源 2009-08-29 10:25:00
物理是一門(mén)實(shí)驗科學(xué)，科學(xué)探究是物理教材及中考的重點(diǎn)。在試題設置及實(shí)際探究過(guò)程中，有涉及探究七個(gè)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(guān)，某同學(xué)用若干個(gè)同種材料制成的不同物體放在同一水平細沙面上，進(jìn)行了三組實(shí)驗，并記錄有關(guān)數據分別如表一、表二、表三所示。實(shí)驗時(shí)，他仔細觀(guān)察沙面的凹陷程度，并通過(guò)比較，發(fā)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
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實(shí)驗序號
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壓力（N）
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受力面積（cm2）
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實(shí)驗
序號
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壓力（N）
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受力面積（cm2）
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實(shí)驗序號
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壓力（N）
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受力面積（cm2）
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1
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6．0
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10
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4
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3．0
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10
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7
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3．0
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20
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||
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2
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9．0
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15
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5
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4．5
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15
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8
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4．5
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30
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||
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3
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12
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20
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6
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6．0
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20
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9
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6．0
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40
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�、欧治霰容^實(shí)驗序號1與4（或2與5、3與6）及觀(guān)察到的現象，可得出的初步結論是________。
�、品治霰容^_______及觀(guān)察到的現象，可得出的初步結論是：當壓力相同時(shí)，受力面積越小，壓力的作用效果越顯著(zhù)。
�、钦堖M(jìn)一步綜合分析比較表一、表二、表三中的數據及觀(guān)察到的現象，并歸納得出結論。
�、俜治霰容^得_______；②分析比較得_______。
分析：本題除考查同學(xué)們對壓力作用效果的掌握程度外，著(zhù)重考查了同學(xué)們對數據表格的分析和處理能力。另外還考查同學(xué)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(shí)，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(shí)，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(chǎn)生的效果越顯著(zhù)；⑵1、6、9；⑶①受力面積相同，壓力越大，壓力產(chǎn)生的效果越顯著(zhù)；②壓力相同，受力面積越小，壓力產(chǎn)生的效果越顯著(zhù)。
學(xué)法指導：控制變量法是研究物理問(wèn)題的重要方法之一，在研究某物理量可能與兩個(gè)和兩個(gè)以上的因素有關(guān)時(shí)都要考慮變量控制。如：實(shí)驗研究影響液體蒸發(fā)快慢的因素；通過(guò)導體的電流與導體兩端的電壓及導體的電阻關(guān)系；液體壓強與液體密度及液體深度關(guān)系等都用到了控制變量法。同學(xué)們在解答這類(lèi)題目時(shí)，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(gè)或兩個(gè)以上的影響因素，就要考慮用控制變量法來(lái)研究。
二、測量大氣壓
例2 在測量大氣壓的實(shí)驗中，某同學(xué)將玻璃板放在桌子上，用吸盤(pán)貼在玻璃板上面，用彈簧測力計將吸盤(pán)緩慢向上拉，直到吸盤(pán)脫離板面。問(wèn)：
�。�1）實(shí)驗原理是什么？
�。�2）某同學(xué)做實(shí)驗時(shí)發(fā)現彈簧測力計的量程太小，不能測出吸盤(pán)脫離板面時(shí)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(pán)脫離板面時(shí)的拉力，要求寫(xiě)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(shí)驗，其原理包括平衡力和壓強知識，如圖1所示，吸盤(pán)受到兩個(gè)力的作用：一是大氣作用在吸盤(pán)上的大氣壓力F大，其大小始終不變；另一個(gè)是彈簧測力計對吸盤(pán)向上的拉力F拉，其大小隨吸盤(pán)被緩慢上拉的同時(shí)逐漸增大，F大和F拉是同直線(xiàn)上反方向的兩個(gè)力，當F拉略大于F大時(shí)，（粗略認為F拉等于F大，即平衡）吸盤(pán)被拉離玻璃板，讀出此時(shí)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(pán)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(pán)面積較大，吸盤(pán)受到的大氣壓力F大將較大，超過(guò)了常用彈簧測力計的量程，這就需要輔助于省力機械來(lái)測量，本題第（2）問(wèn)就是針對可能出現的這種情況設計的。
答案：（1）實(shí)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(zhì)杠桿（質(zhì)量忽略不計），為使OA、OB分別為阻力臂L2和動(dòng)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(dòng)，讀出拉開(kāi)玻璃板時(shí)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(zhì)動(dòng)滑輪，緩慢向上拉動(dòng)彈簧測力計，讀出剛拉開(kāi)玻璃板時(shí)彈簧測力計的示數F1，算出大氣壓力F大=2F1。
學(xué)法指導：挖掘教材實(shí)驗進(jìn)行考查是近年各地中考的重點(diǎn)。對教材中的每個(gè)探究實(shí)驗，同學(xué)們不僅要從整體上了解實(shí)驗的意圖、原理、實(shí)驗器材及方法，同時(shí)要善于剖析實(shí)驗細節，如實(shí)驗中可能出現的現象分析，實(shí)驗方案改進(jìn)，結論評估等。
三、探究液體內部壓強
例3 楊揚同學(xué)用如圖4所示的壓強計研究液體內部壓強的特點(diǎn)，實(shí)驗時(shí)，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。
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實(shí)驗
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橡皮膜朝向
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深度
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壓強計U型管
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左液面
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右液面
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液面高度差
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1
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朝上
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3cm
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9cm
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12cm
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3cm
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2
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朝左
|
3cm
|
9cm
|
12cm
|
3cm
|
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3
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朝下
|
3cm
|
9cm
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12cm
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3cm
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4
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朝上
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6cm
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13．5cm
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6cm
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5
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朝上
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9cm
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6cm
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|
9cm
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�、欧治霰砀駭祿�，將漏掉的數據補上。
�、朴蓪�(shí)驗1、2、3，可得出結論：_________________________________________。
�、怯蓪�(shí)驗_______________，可得出結論：液體內部的壓強隨深度的增加而增大。
�、葪顡P想完成研究液體內部壓強與液體密度關(guān)系的實(shí)驗，請你幫助他設計一個(gè)可行的方案。
分析：本題表格數據是學(xué)生實(shí)驗的再現，重在考查學(xué)生對實(shí)驗過(guò)程的理解。壓強計的橡皮膜受到壓強時(shí)，其U型管左右液面出現高度差，反過(guò)來(lái)當壓強計U型管左右液面出現高度差則說(shuō)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(guān)系的實(shí)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(gè)方向都有壓強，同一深度處液體向各個(gè)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(xué)法指導：物理實(shí)驗數據大多以表格形式呈現，分析處理表格數據是實(shí)驗能力的重要方面。在我們所學(xué)的物理知識中，主要有三類(lèi)表格數據：一是成正比或反比型的數據，如：實(shí)驗研究歐姆定律、物體質(zhì)量與體積的關(guān)系、物體重力與質(zhì)量的關(guān)系、液體壓強與深度關(guān)系等；二是比較型的數據，如實(shí)驗測燈泡的電阻、串聯(lián)電路的電流關(guān)系、并聯(lián)電路的電壓關(guān)系、摩擦力大小與壓力的關(guān)系等；三是求和（或求積）型數據，如：實(shí)驗測串聯(lián)電路的電壓關(guān)系、并聯(lián)電路的電流關(guān)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(xué)課堂上，王老師做了一個(gè)演示實(shí)驗：取一塊牙膏皮，首先將它揉成團放入盛水的燒杯中，觀(guān)察到“牙膏皮團”下沉，然后將它展開(kāi)做成帽形放入水中，觀(guān)察到“牙膏皮帽”浮于水面上。王老師提問(wèn)：兩次不同的實(shí)驗現象告訴我們什么？李亮同學(xué)馬上舉手回答：實(shí)驗說(shuō)明物體所受的浮力與物體的形狀有關(guān)。
�。�1）你贊同他的觀(guān)點(diǎn)嗎？簡(jiǎn)要談?wù)勀愕目捶ā?/font>
�。�2）若給你一些器材：彈簧測力計、三個(gè)形狀不同的小石塊、橡皮泥、燒杯、細線(xiàn)和水，你將選擇哪些器材實(shí)驗證明你的觀(guān)點(diǎn)，寫(xiě)出實(shí)驗所需器材及你的探究方案。
�。�3）你將如何根據探究過(guò)程中觀(guān)察到的現象或獲得的數據得出結論。
分析：本題重在考查學(xué)生設計實(shí)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(kāi)液體的體積有關(guān)，而與物體形狀無(wú)關(guān)，改變牙膏皮的形狀實(shí)質(zhì)是引起了物體排開(kāi)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(guān)時(shí)，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(mǎn)足要求。此實(shí)驗的關(guān)鍵在于設計對比性實(shí)驗，利用兩次稱(chēng)量去比較橡皮泥在形狀改變時(shí)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(kāi)液體的體積有關(guān)，而與物體形狀無(wú)關(guān)，改變牙膏皮的形狀實(shí)質(zhì)是引起了物體排開(kāi)液體體積的變化，從而使浮力改變。（2）實(shí)驗器材：彈簧測力計、橡皮泥、燒杯、細線(xiàn)和水。探究方案：①用細線(xiàn)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(méi)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(méi)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(méi)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(shuō)明浮力大小與形狀無(wú)關(guān)；若大小不等，說(shuō)明浮力大小與形狀有關(guān)。
學(xué)法指導：實(shí)驗探究是課改來(lái)中考的重點(diǎn)，本題從實(shí)驗設計、分析論證、評估三個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究能力考查。在設計實(shí)驗時(shí)，同學(xué)們要注意實(shí)驗方案的可操作性、準確性和嚴密性，方案所涉及的實(shí)驗器材、物理量及表達式都要明確表示出來(lái)；分析論證是對可能發(fā)生的現象或實(shí)驗數據進(jìn)行歸納，因果推導得出結論的過(guò)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(shí)驗方案的好壞，評估結論對錯，評估實(shí)驗器材的選擇是否恰當等。在評估時(shí)不僅要鮮明表達自己的觀(guān)點(diǎn)，還要運用物理原理或規律加以分析說(shuō)明。
在學(xué)習《壓強和浮力》內容時(shí)，不僅要注意教材中幾個(gè)實(shí)驗的分析與把握，弄清實(shí)驗原理，掌握實(shí)驗方法與步驟，理解實(shí)驗現象與結論。更要注意加強知識與生產(chǎn)生活、科技社會(huì )的聯(lián)系，這也是近年中考的重心所在。
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