《壓強(qiáng)和浮力》探究題剖析
來源：網(wǎng)絡(luò)資源 2009-08-29 10:25:00
物理是一門實驗科學(xué)，科學(xué)探究是物理教材及中考的重點。在試題設(shè)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(xì)節(jié)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)用若干個同種材料制成的不同物體放在同一水平細(xì)沙面上，進(jìn)行了三組實驗，并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)分別如表一、表二、表三所示。實驗時，他仔細(xì)觀察沙面的凹陷程度，并通過比較，發(fā)現(xiàn)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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實驗序號
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壓力（N）
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受力面積（cm2）
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實驗
序號
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壓力（N）
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受力面積（cm2）
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實驗序號
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壓力（N）
|
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^實驗序號1與4（或2與5、3與6）及觀察到的現(xiàn)象，可得出的初步結(jié)論是________。
�、品治霰容^_______及觀察到的現(xiàn)象，可得出的初步結(jié)論是：當(dāng)壓力相同時，受力面積越小，壓力的作用效果越顯著。
�、钦堖M(jìn)一步綜合分析比較表一、表二、表三中的數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象，并歸納得出結(jié)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，著重考查了同學(xué)們對數(shù)據(jù)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(yùn)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(chǎn)生的效果越顯著；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；②壓力相同，受力面積越小，壓力產(chǎn)生的效果越顯著。
學(xué)法指導(dǎo)：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(guān)時都要考慮變量控制。如：實驗研究影響液體蒸發(fā)快慢的因素；通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓及導(dǎo)體的電阻關(guān)系；液體壓強(qiáng)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(xué)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(xué)做實驗時發(fā)現(xiàn)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(qiáng)》“想想做做”實驗，其原理包括平衡力和壓強(qiáng)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(xiàn)大和F拉是同直線上反方向的兩個力，當(dāng)F拉略大于F大時，（粗略認(rèn)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(shù)，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(qiáng)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(jī)械來測量，本題第（2）問就是針對可能出現(xiàn)的這種情況設(shè)計的。
答案：（1）實驗原理：二力平衡的條件F大=F拉和壓強(qiáng)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(shù)F1，便可算出F大=F2=F1L1/L2。法（二）：如圖3所示，取一輕質(zhì)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(shù)F1，算出大氣壓力F大=2F1。
學(xué)法指導(dǎo)：挖掘教材實驗進(jìn)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(xué)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(xì)節(jié)，如實驗中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象分析，實驗方案改進(jìn)，結(jié)論評估等。
三、探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)
例3 楊揚(yáng)同學(xué)用如圖4所示的壓強(qiáng)計研究液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點，實驗時，他將壓強(qiáng)計的橡皮膜置于水中不同深度，并調(diào)節(jié)橡皮膜在水中的方向，得到如下數(shù)據(jù)。
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實驗
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橡皮膜朝向
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深度
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壓強(qiáng)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
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3cm
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9cm
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12cm
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3cm
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3
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朝下
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3cm
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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�(shù)據(jù)，將漏掉的數(shù)據(jù)補(bǔ)上。
⑵由實驗1、2、3，可得出結(jié)論：_________________________________________。
⑶由實驗_______________，可得出結(jié)論：液體內(nèi)部的壓強(qiáng)隨深度的增加而增大。
⑷楊揚(yáng)想完成研究液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體密度關(guān)系的實驗，請你幫助他設(shè)計一個可行的方案。
分析：本題表格數(shù)據(jù)是學(xué)生實驗的再現(xiàn)，重在考查學(xué)生對實驗過程的理解。壓強(qiáng)計的橡皮膜受到壓強(qiáng)時，其U型管左右液面出現(xiàn)高度差，反過來當(dāng)壓強(qiáng)計U型管左右液面出現(xiàn)高度差則說明橡皮膜受到了壓強(qiáng)，高度差越大則壓強(qiáng)越大。設(shè)計研究液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體密度關(guān)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(nèi)部向各個方向都有壓強(qiáng)，同一深度處液體向各個方向的壓強(qiáng)都相等。（3）①如圖4取一杯水，將壓強(qiáng)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(qiáng)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(jié)論。
學(xué)法指導(dǎo)：物理實驗數(shù)據(jù)大多以表格形式呈現(xiàn)，分析處理表格數(shù)據(jù)是實驗?zāi)芰Φ闹匾矫妗Ｔ谖覀兯鶎W(xué)的物理知識中，主要有三類表格數(shù)據(jù)：一是成正比或反比型的數(shù)據(jù)，如：實驗研究歐姆定律、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(qiáng)與深度關(guān)系等；二是比較型的數(shù)據(jù)，如實驗測燈泡的電阻、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(shù)據(jù)，如：實驗測串聯(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，王老師做了一個演示實驗：取一塊牙膏皮，首先將它揉成團(tuán)放入盛水的燒杯中，觀察到“牙膏皮團(tuán)”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(xiàn)象告訴我們什么？李亮同學(xué)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(guān)。
�。�1）你贊同他的觀點嗎？簡要談?wù)勀愕目捶ā?/font>
�。�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(xì)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(jù)探究過程中觀察到的現(xiàn)象或獲得的數(shù)據(jù)得出結(jié)論。
分析：本題重在考查學(xué)生設(shè)計實驗與歸納分析得出結(jié)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(guān)，而與物體形狀無關(guān)，改變牙膏皮的形狀實質(zhì)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(guān)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(guān)鍵在于設(shè)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(jié)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(guān)，而與物體形狀無關(guān)，改變牙膏皮的形狀實質(zhì)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(xì)線和水。探究方案：①用細(xì)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(shù)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(shù)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(shù)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(guān)；若大小不等，說明浮力大小與形狀有關(guān)。
學(xué)法指導(dǎo)：實驗探究是課改來中考的重點，本題從實驗設(shè)計、分析論證、評估三個方面對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究能力考查。在設(shè)計實驗時，同學(xué)們要注意實驗方案的可操作性、準(zhǔn)確性和嚴(yán)密性，方案所涉及的實驗器材、物理量及表達(dá)式都要明確表示出來；分析論證是對可能發(fā)生的現(xiàn)象或?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行歸納，因果推導(dǎo)得出結(jié)論的過程，大多可以“如果……，那么……”句式呈現(xiàn)；評估所涉及的范圍很多，如評估實驗方案的好壞，評估結(jié)論對錯，評估實驗器材的選擇是否恰當(dāng)?shù)�。在評估時不僅要鮮明表達(dá)自己的觀點，還要運(yùn)用物理原理或規(guī)律加以分析說明。
在學(xué)習(xí)《壓強(qiáng)和浮力》內(nèi)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(xiàn)象與結(jié)論。更要注意加強(qiáng)知識與生產(chǎn)生活、科技社會的聯(lián)系，這也是近年中考的重心所在。
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