Question

某科學(xué)興趣小組完成了下列兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)：
（1）實(shí)驗(yàn)桌上有細(xì)線若干、兩種規(guī)格的鉤碼（0.5N、2N）足夠多、彈簧測(cè)力計(jì)一只（量程為5N、分度值為0.2N）、三種規(guī)格的注射器A、B、C（量程分別為20ml、10ml和5ml）、滑輪一只以及刻度尺一把．要求利用現(xiàn)有器材粗略測(cè)量大氣壓強(qiáng)．甲同學(xué)設(shè)計(jì)的方案如圖甲所示，乙同學(xué)設(shè)計(jì)的方案如圖乙所示．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

①兩種設(shè)計(jì)方案，計(jì)算大氣壓強(qiáng)的公式是：

p=

F

S

．
②實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該在

剛開始滑動(dòng)

時(shí)，讀取彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)（或鉤碼的重力）；
③甲同學(xué)在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，彈簧測(cè)力計(jì)被拉到5N時(shí)，活塞仍沒(méi)有移動(dòng)．欲仍然采用此方案完成實(shí)驗(yàn)，需作的改進(jìn)是：

換用小量程的注射器

．
④請(qǐng)你幫他把乙同學(xué)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)記錄表格補(bǔ)充完整，標(biāo)有“-----”符號(hào)的空格不需要填寫．

鉤碼的個(gè)數(shù)	大氣對(duì)活塞的壓力F/N	注射器的刻度部分容積V/ml	注射器的全部刻度的長(zhǎng)度L/m	活塞的橫截面積S/m2	大氣壓強(qiáng)的值P/Pa
------	-------	-------	-------	-------	------

⑤按乙方案實(shí)驗(yàn)時(shí)，在增減鉤碼時(shí)無(wú)法達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，還需要的操作是：

加掛一定鉤碼后，再用彈簧測(cè)力計(jì)向下拉，當(dāng)觀察到剛開始滑動(dòng)時(shí)讀數(shù)．

（2）如圖所示，壓縮彈簧，彈簧可以將小球彈起．彈簧將小球彈起的高度與哪些因素有關(guān)呢？（以下所有彈簧被壓縮后都未超過(guò)其彈性限度）．

次    數(shù)	1	2	3
彈簧被壓縮的長(zhǎng)度（cm）	△l1	△l2	△l3
小球被彈起的高度（cm）	h1	h2	h3

①小明利用一根彈簧、一個(gè)小球和刻度尺進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，得出的三組不同數(shù)據(jù)如表所示（均不相等）：由表可得出的初步結(jié)論是：

彈簧被壓縮的長(zhǎng)度不同，彈簧將小球彈起的高度不同

．
②小紅猜想：彈簧將小球彈起的高度可能與被壓縮彈簧的材料有關(guān)．她設(shè)計(jì)的探究方案如下：
Ⅰ．將A、B兩根外形完全相同，材料不同的彈簧分別置于水平桌面上；
Ⅱ．將小球置于彈簧A的上端，按下小球，使彈簧被壓縮的長(zhǎng)度為5cm，松手后小球被彈起，記下小球彈起的高度H₁；
Ⅲ．再將同一小球置于彈簧B的上端，按下小球，使彈簧被壓縮的長(zhǎng)度為6cm，松手后小球被彈起，記下小球彈起的高度H₂；
Ⅳ．比較H₁、H₂的大小，就可初步得出彈簧將小球彈起的高度是否與被壓縮彈簧的材料有關(guān)了．小紅探究方案中存在的一個(gè)問(wèn)題是：

沒(méi)有控制彈簧兩次被壓縮的長(zhǎng)度相等（或沒(méi)有將彈簧壓縮相同的長(zhǎng)度）

．
③影響彈簧將小球彈起的高度的因素可能還有

彈簧的粗細(xì)

（說(shuō)出一個(gè)影響因素即可）．

Answer 1

分析：（1）①根據(jù)公式p=

F

S

，用彈簧測(cè)力計(jì)或鉤碼來(lái)求F，根據(jù)注射器容積和刻度的長(zhǎng)來(lái)求面積，這就是這一實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)計(jì)思路．
②注射器內(nèi)的空氣我們要事先排凈，拉動(dòng)活塞滑動(dòng)時(shí)的拉力就約等于大氣對(duì)活塞的壓力；
③壓力的大小跟活塞的作用面積有關(guān)，在大氣壓強(qiáng)一定時(shí)，面積越小，壓力會(huì)越小，所以應(yīng)選擇較小的注射器；
④測(cè)橫截面積時(shí)，根據(jù)公式S=

V

L

，我們還要量一個(gè)注射器刻度的長(zhǎng)；
⑤因?yàn)楹茈y保證拉力的大小正好是鉤碼重的整數(shù)倍，所以借助彈簧測(cè)力計(jì)還是很有必要的．
（2）①分析表中三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的彈簧被壓縮的長(zhǎng)度和小球彈起的高度，得出初步結(jié)論；
②物理學(xué)中對(duì)于多因素的問(wèn)題，常常采用控制變量的方法，把多因素的問(wèn)題變成多個(gè)單因素的問(wèn)題．每一次只改變其中的某一個(gè)因素，而控制其余幾個(gè)因素不變，從而研究被改變的這個(gè)因素對(duì)事物影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫控制變量法，根據(jù)控制變量法的思想解答此題；
③結(jié)合我們的生活經(jīng)驗(yàn)解答．

解答：解：（1）①用彈簧測(cè)力計(jì)或鉤碼來(lái)求F，根據(jù)注射器容積和刻度的長(zhǎng)來(lái)求面積，利用公式p=

F

S

計(jì)算；
②當(dāng)活塞剛開始滑動(dòng)時(shí)，說(shuō)明拉力正好克服了大氣的壓力，是一對(duì)平衡力，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)就等于大氣產(chǎn)生的壓力；
③因?yàn)榇髿獾膲簭?qiáng)是一定的，根據(jù)公式F=pS，受力面積越小，壓力也會(huì)越小，所以當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)量程不夠時(shí)，可換用小量程注射器；
④要想得到活塞的橫截面積S，根據(jù)公式S=

V

L

，我們必須還要量出注射器所有刻度的長(zhǎng)L，見表格：

的個(gè)數(shù)	大氣對(duì)活塞的壓力F/N	注射器的刻度部分容積V/ml	注射器的全部刻度的長(zhǎng)度L/m	活塞的橫截面積S/m2	大氣壓強(qiáng)的值P/Pa
------	-------	-------	-------	-------	-------

⑤因?yàn)殂^碼的重力已經(jīng)固定，缺少靈活性，所以加掛一定鉤碼后，再用彈簧測(cè)力計(jì)向下拉，當(dāng)觀察到剛開始滑動(dòng)時(shí)讀數(shù)．
（2）①比較三組實(shí)驗(yàn)中彈簧被壓縮的長(zhǎng)度和小球彈起的高度可知：彈簧被壓縮的長(zhǎng)度不同，彈簧將小球彈起的高度不同；
②要想研究彈簧將小球彈起的高度是否與被壓縮彈簧的材料有關(guān)時(shí)，沒(méi)有控制彈簧兩次被壓縮的長(zhǎng)度相等（或沒(méi)有將彈簧壓縮相同的長(zhǎng)度）；
③影響彈簧將小球彈起的高度的因素可能還有彈簧的粗細(xì)．
 故答案為：（1）①p=

F

S

； ②剛開始滑動(dòng)；③換用小量程的注射器；④注射器的全部刻度的長(zhǎng)度L/m；⑤加掛一定鉤碼后，再用彈簧測(cè)力計(jì)向下拉，當(dāng)觀察到剛開始滑動(dòng)時(shí)讀數(shù)．
（2）①?gòu)椈杀粔嚎s的長(zhǎng)度不同，彈簧將小球彈起的高度不同；
②沒(méi)有控制彈簧兩次被壓縮的長(zhǎng)度相等（或沒(méi)有將彈簧壓縮相同的長(zhǎng)度）；
③彈簧的粗細(xì)．

點(diǎn)評(píng)：（1）此類實(shí)驗(yàn)依據(jù)了p=

F

S

，彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出的拉力正好是大氣對(duì)活塞的壓力，活塞的橫截面積就是力的作用面積，這樣就可以求出大氣壓強(qiáng)了．兩種方案對(duì)比，甲方案更直接，但需要一支量程足夠大的測(cè)力計(jì)，乙方案鉤碼的重固定，無(wú)法保證讀數(shù)為整數(shù)，也需要借助測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量．
（2）本題為探究彈性勢(shì)能與哪些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，考查了分析實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�、考查了學(xué)生對(duì)控制變量法、轉(zhuǎn)換法的了解與掌握，屬于難題．