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例1 几个同学爬杆比赛时，要比较谁的功率大，分别需要哪些测量仪器和测出哪些物理量？
分析：要设计一个实验来测量人爬杆时的功率，首先就要建立一个科学模型，高度抽象、概括地描述人爬杆时的物理状态。有了正确的模型，爬杆人的体重、爬杆的高度和时间是三个必须考虑的因素。常规的方法是用体重计测体重，用秒表测时间，用长杆和卷尺测高度。而用控制变量的思想（保持同样的高度或用同样的时间），就可以在时间和高度这两个量中少测一个。因此，这样的设计性实验试题，虽然并不复杂，但却考查了学生建立科学模型和正确应用控制变量的方法解决问题的能力。
答案：
（1）用体重计测体重，用秒表测时间，用长杆和卷尺测高度。
（2）用体重计测体重，用秒表测时间。（要求比赛的同学都爬过同样高度）
（3）用体重计测体重，用长杆和卷尺测高度。（要求比赛的同学在几条杆上同时开始，同时停止）
评析：本题不是简单地考查实验仪器的操作，也不是课本实验的重复，而是从学生的生活实际出发，考查学生在真实情境中应用知识，规划、没计、实施实验，以解决问题的能力。
例2 （2005贵阳课改卷）甲乙两个实验小组在探究“杠杆的平衡条件”时，分别得到下面两组数据和结论。他们在交流时，甲组发现了自己实验结论的错误和产生错误的原因。你认为甲组产生错误的原因有那些？
甲组产生错误的原因：______________________________________________。
甲 组
乙 组
次数
动力
动力臂
阻力
阻力臂
动力
动力臂
阻力
阻力臂
结论
动力+ 动力臂＝阻力+阻力臂
动力 ×动力臂＝阻力×阻力臂
分析：在探究性教学中，杠杆原理一般并不是直接告诉学生，而是通过实验，让学生自己去发现。结果，很多学生就发现杠杆的平衡条件是“动力+动力臂＝阻力+阻力臂”，而且不止一组实验数据支持这种想法，于是学生认为他们的想法得到了证实。到了这里，教学涉及到的就不仅仅是杠杆原理的问题了，而是科学探究中归纳方法的局限性问题。
答案：甲组的错误：
（1）不同单位的物理量不能直接相加。
（2）这四个物理量中的三个，它们的数据都应任意设定，不能有任何人为设置的规律。
（3）没有进行多次测量并从中找到普遍规律。
二、小试牛刀
1．（2005广西柳州）由于白炽灯除了发光还产生热量，所以逐渐被称之为“冷光源”的各种节能灯代替。白炽灯的功率越大，亮度越大，产生的热量是否也越多呢？为此，小明设计了一个实验方案：使25W白炽灯正常发光，把温度计放在灯泡附近任一位置，观察温度计示数的变化；换上100W白炽灯重复上述步骤。若100W白炽灯使温度计的温度升得高，则产生的热量多。同学们对小明的方案进行了讨论，认为：
（1）在灯泡附近的范围内，灯泡产生的热量越多，空气温度________，利用温度计测温度变化的方案是可行的；
（2）方案还应注意两个问题：一是________________，二是________________。
答案：（1）升高越大（2）测温点要固定、测温时间要相同
2．（2005泰州）由阿基米德原理（F浮＝G排液）结合相关知识，可以推得F浮＝ρ液V排液g，从而看出物体受到的浮力大小与物体________和液体的________有关。
有些爱思考的同学进一步提出，除上述两个因素外，浮力的大小是否还与别的什么因素有关？其中，一个比较具体的问题是：物体所受浮力大小是否与物体的形状有关？针对这个问题，若提供下列器材由你选择，你将选择哪些器材、怎样进行探究？
供选择的器材有：弹簧测力计，三个形状不同的小石块，橡皮泥，烧杯、细线和水．
（1）你选择的器材是：________________。
（2）你的探究方案（即实验步骤）是：________________。
（3）你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：__________________。
答案：排开液体的体积、密度
（1）弹簧测力计、橡皮泥、烧杯、细线和水（多选或少选均不正确）
（2）实验步骤：
或a．①用细线将橡皮泥吊在弹簧测力计上，测出橡皮泥重G；
②将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F1；
③改变橡皮泥形状，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F2；
④再改变橡皮泥形状，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F3。
或b．①用细线将橡皮泥吊在弹簧测力计上，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F1；
②改变橡皮泥形状，把橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F2；
③再改变橡皮泥形状，把橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F3。
（3）（答案要与实验步骤对应）
或a．求出橡皮泥各次在水中所受的浮力。若各次所受浮力相等，说明浮力大小与形状无关；若各次所受浮力不等，说明浮力大小与形状有关。
或b．比较橡皮泥各次浸没水中时测力计示数。若测力计的示数相等，说明浮力大小与形状无关；若测力计的示数不等，则说明浮力大小与形状有关。
3．（2005泰州）通过学习，同学们知道了液体压强的特点。在此基础上，老师提出了这样的问题：有两只杯子，分别盛有清水和盐水，但没有标签，你能否用压强计将它们区别开？
（1）当压强计的金属盒在空气中时，U形管两边的液面应当相平，而小明同学却观察到如图1（a）所示的情景。出现这种情况的原因是：U形管左支管液面上方的气压______大气压（填“大于”、“小于”或“等于”）；调节的方法是：（ ）
A．将此时右边支管中高出的液体倒出
B．取下软管重新安装
（2）小明再作图（b）所示的检查。当用手指按压（不论轻压还是重压）橡皮膜时，发现U形管两边液柱的高度几乎不变化。出现这种情况的原因是：__________________________。
（3）压强计调节正常后，小明将金属盒先后浸入到两杯液体中，如图（c）和（d）所示。他发现图（d）中U形管两边的液柱高度差较大，于是认为图（d）杯子中盛的是盐水。①你认为，小明的结论是_________________（填“可靠的”或“不可靠的”）；②简要说明理由：_________________。
答案：（1）大于B
（2）压强计的气密性不好；或压强计金属盒（或“软管”）漏气；或U形管与软管连接不好。
（3）不可靠的金属盒（或“橡皮膜”）在两种液体中的深度不同；或没有控制金属盒（或“橡皮膜”）在两种液体（或“在液体”）中的深度（或“深度相同”）。
4．（2005苏州）小明同学在做完“观察水的沸腾”实验后又进一步探究了沸水自然冷却过程中温室随时间的变化情况，他将实验数据记录在自己设计的表格中。
小明通过描点画出如图2所示的水温随时间变化的曲线。
（1）根据表中的数据可推知，小明做上述实验时的环境温度（即室温）应在_______℃左右。
（2）根据图示水温随时间变化的曲线。可知沸水在自然冷却过程中温度随时间变化的特点是：______________。
答案：（1）22
（2）温度较高时，温度随时间下降较快，当温度接近室温时，温度下降越来越慢。
5．（2005苏州）刻度尺，温度计，量筒，弹簧测力计，电流表和电压表是物理实验中的常用仪器。通过比较可以发现，这些仪器具有—些共同的特点。例如它们都有一定的量程。
上述仪器还有的共同特点是（只要求写出2个）：
（1）__________________________________________________；
（2）__________________________________________________。
答案：（1）一定的分度值
（2）刻度是均匀的
6．（2005南京）有一天，小明在家观察洗衣机排水后，对容器排尽水的时间与排水孔的大小之间的关系产生了浓厚的兴趣。为此他找来四个同样大小的圆柱形塑料容器，在它们的底部相同位置各开一个排水圆孔，排水孔的直径d分别是1．5cm、2．0cm、3．0cm和5．0cm。在容器里放入30cm深的水，打开排水孔让水流出，用秒表测量水完全流出所需的时间t分别为73．0s、41．2s、18．4s和6．8s。
（1）请设计一个表格，并将小明测得的数据填写在表格中。
（2）请在图3中画出排尽水的时间t与排水孔直径d的关系图线。
（3）分析实验数据，初步可以看出t与d之间韵关系为：d越大，t_____，但是还不能确定它们之间明确的数量关系。
（4）请你猜想t与d之间可能存在的数量关系，并根据以上数据写出证实你猜想的思路。
猜想：________________________________________。
思路：_________________________________________。
答案：（1）
排水孔直径d／cm
1．5
2．0
3．0
5．0
排尽水的时间t/s
73．0
41．2
1 8．4
6．8
（2）图线如下
（3）越小
（4）t与d2成反比，可以作出t与图线，并观察图线是否为一条直线
（说明：本小题只要答案合理均正确）
7．（2005南通）为探究滑动摩擦力大小与什么因素有关，小明设计了如图4甲所示的实验。
⑴如果要想利用此实验来探究滑动摩擦力的大小与压力的关系，应设计怎样的实验步骤？
⑵在探究滑动摩擦力的大小是否与物体间的接触面积有关时，小明先后用大、小木块按照图甲所示的方法进行对比实验。小明的做法是否正确？为什么？
⑶在研究此问题时，小红设计的实验如图4乙所示，弹簧测力计一端固定，另一端钩住长方形木块，木块下面是一长木板，实验时拖支长木板，然后读出弹簧力计的示数，即可测出木块和木板之间的摩擦力。小明看了小红的实验后，认为小红设计的实验优于自己设计的实验。对此你能说出其中的原因吗？
答案：⑴弹簧测力计拉动木块，使它做匀速直线运动，读出此时弹簧测力计的示数F1；
在木块上面加一个重物，再用弹簧测力计拉动木块，使它做匀速直线运动，读出此时弹簧测力计的示数F2；比较F1和F2的大小。
⑵不正确。实验过程中没有保持相同的压力。
⑶木块不必做匀速直线运动（或弹簧测力计保持静止，便于读数）
小丽和他的同伴在探究凸透镜成像的规律的实验，请你和他们一起来参与探究吧。
（1）选用蜡烛，凸透镜，光具座等器材，调节他们的高度，使（ ），（ ）和（ ）在一条与光具座平行的直线上。
（2）测定凸透镜的焦距：_________________________________。
（3）把蜡烛放在离凸透镜大于2倍焦距的位置上，调整光屏到透镜的距离，使烛焰在屏上成一个清晰的像。观察到像的情况是（ ），（ ），（ ）像。
（4）逐渐把蜡烛向凸透镜靠近，这时光屏就要（ ）凸透镜才能成清晰的像，进行观察和测量。
（5）直到蜡烛到透镜的某一位置时，无论怎样移动光屏也不能成像，这时眼睛通过（ ）向（ ）处看，才能看到像，观察并记录测量结果。
（6）实验结论：物距减小时，像距（ ），像（ ）。物体在（ ）时，成倒立，缩小的实像；在（ ）时。成倒立，等大的实像；在（ ）时，成倒立，放大的实像；在（ ）时，成正立，放大的虚像
(1)蜡烛火焰 凸透镜主光轴 光屏
(2)移动蜡烛，凸透镜，使光屏上成一个点的像，凸透镜到光屏的距离就是焦距
(3)缩小 倒立 实
(4)远离
(5)凸透镜 蜡烛
(6)增大 变大 大于2倍焦距处 2倍焦距处 小于2倍焦距大于焦距处 小于焦距处
分析：要设计一个实验来测量人爬杆时的功率，首先就要建立一个科学模型，高度抽象、概括地描述人爬杆时的物理状态。有了正确的模型，爬杆人的体重、爬杆的高度和时间是三个必须考虑的因素。常规的方法是用体重计测体重，用秒表测时间，用长杆和卷尺测高度。而用控制变量的思想（保持同样的高度或用同样的时间），就可以在时间和高度这两个量中少测一个。因此，这样的设计性实验试题，虽然并不复杂，但却考查了学生建立科学模型和正确应用控制变量的方法解决问题的能力。
答案：
（1）用体重计测体重，用秒表测时间，用长杆和卷尺测高度。
（2）用体重计测体重，用秒表测时间。（要求比赛的同学都爬过同样高度）
（3）用体重计测体重，用长杆和卷尺测高度。（要求比赛的同学在几条杆上同时开始，同时停止）
评析：本题不是简单地考查实验仪器的操作，也不是课本实验的重复，而是从学生的生活实际出发，考查学生在真实情境中应用知识，规划、没计、实施实验，以解决问题的能力。
例2 （2005贵阳课改卷）甲乙两个实验小组在探究“杠杆的平衡条件”时，分别得到下面两组数据和结论。他们在交流时，甲组发现了自己实验结论的错误和产生错误的原因。你认为甲组产生错误的原因有那些？
甲组产生错误的原因：______________________________________________。
甲 组
乙 组
次数
动力
动力臂
阻力
阻力臂
动力
动力臂
阻力
阻力臂
结论
动力+ 动力臂＝阻力+阻力臂
动力 ×动力臂＝阻力×阻力臂
分析：在探究性教学中，杠杆原理一般并不是直接告诉学生，而是通过实验，让学生自己去发现。结果，很多学生就发现杠杆的平衡条件是“动力+动力臂＝阻力+阻力臂”，而且不止一组实验数据支持这种想法，于是学生认为他们的想法得到了证实。到了这里，教学涉及到的就不仅仅是杠杆原理的问题了，而是科学探究中归纳方法的局限性问题。
答案：甲组的错误：
（1）不同单位的物理量不能直接相加。
（2）这四个物理量中的三个，它们的数据都应任意设定，不能有任何人为设置的规律。
（3）没有进行多次测量并从中找到普遍规律。
二、小试牛刀
1．（2005广西柳州）由于白炽灯除了发光还产生热量，所以逐渐被称之为“冷光源”的各种节能灯代替。白炽灯的功率越大，亮度越大，产生的热量是否也越多呢？为此，小明设计了一个实验方案：使25W白炽灯正常发光，把温度计放在灯泡附近任一位置，观察温度计示数的变化；换上100W白炽灯重复上述步骤。若100W白炽灯使温度计的温度升得高，则产生的热量多。同学们对小明的方案进行了讨论，认为：
（1）在灯泡附近的范围内，灯泡产生的热量越多，空气温度________，利用温度计测温度变化的方案是可行的；
（2）方案还应注意两个问题：一是________________，二是________________。
答案：（1）升高越大（2）测温点要固定、测温时间要相同
2．（2005泰州）由阿基米德原理（F浮＝G排液）结合相关知识，可以推得F浮＝ρ液V排液g，从而看出物体受到的浮力大小与物体________和液体的________有关。
有些爱思考的同学进一步提出，除上述两个因素外，浮力的大小是否还与别的什么因素有关？其中，一个比较具体的问题是：物体所受浮力大小是否与物体的形状有关？针对这个问题，若提供下列器材由你选择，你将选择哪些器材、怎样进行探究？
供选择的器材有：弹簧测力计，三个形状不同的小石块，橡皮泥，烧杯、细线和水．
（1）你选择的器材是：________________。
（2）你的探究方案（即实验步骤）是：________________。
（3）你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：__________________。
答案：排开液体的体积、密度
（1）弹簧测力计、橡皮泥、烧杯、细线和水（多选或少选均不正确）
（2）实验步骤：
或a．①用细线将橡皮泥吊在弹簧测力计上，测出橡皮泥重G；
②将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F1；
③改变橡皮泥形状，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F2；
④再改变橡皮泥形状，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F3。
或b．①用细线将橡皮泥吊在弹簧测力计上，将橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F1；
②改变橡皮泥形状，把橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F2；
③再改变橡皮泥形状，把橡皮泥浸没水中，记下测力计的示数F3。
（3）（答案要与实验步骤对应）
或a．求出橡皮泥各次在水中所受的浮力。若各次所受浮力相等，说明浮力大小与形状无关；若各次所受浮力不等，说明浮力大小与形状有关。
或b．比较橡皮泥各次浸没水中时测力计示数。若测力计的示数相等，说明浮力大小与形状无关；若测力计的示数不等，则说明浮力大小与形状有关。
3．（2005泰州）通过学习，同学们知道了液体压强的特点。在此基础上，老师提出了这样的问题：有两只杯子，分别盛有清水和盐水，但没有标签，你能否用压强计将它们区别开？
（1）当压强计的金属盒在空气中时，U形管两边的液面应当相平，而小明同学却观察到如图1（a）所示的情景。出现这种情况的原因是：U形管左支管液面上方的气压______大气压（填“大于”、“小于”或“等于”）；调节的方法是：（ ）
A．将此时右边支管中高出的液体倒出
B．取下软管重新安装
（2）小明再作图（b）所示的检查。当用手指按压（不论轻压还是重压）橡皮膜时，发现U形管两边液柱的高度几乎不变化。出现这种情况的原因是：__________________________。
（3）压强计调节正常后，小明将金属盒先后浸入到两杯液体中，如图（c）和（d）所示。他发现图（d）中U形管两边的液柱高度差较大，于是认为图（d）杯子中盛的是盐水。①你认为，小明的结论是_________________（填“可靠的”或“不可靠的”）；②简要说明理由：_________________。
答案：（1）大于B
（2）压强计的气密性不好；或压强计金属盒（或“软管”）漏气；或U形管与软管连接不好。
（3）不可靠的金属盒（或“橡皮膜”）在两种液体中的深度不同；或没有控制金属盒（或“橡皮膜”）在两种液体（或“在液体”）中的深度（或“深度相同”）。
4．（2005苏州）小明同学在做完“观察水的沸腾”实验后又进一步探究了沸水自然冷却过程中温室随时间的变化情况，他将实验数据记录在自己设计的表格中。
小明通过描点画出如图2所示的水温随时间变化的曲线。
（1）根据表中的数据可推知，小明做上述实验时的环境温度（即室温）应在_______℃左右。
（2）根据图示水温随时间变化的曲线。可知沸水在自然冷却过程中温度随时间变化的特点是：______________。
答案：（1）22
（2）温度较高时，温度随时间下降较快，当温度接近室温时，温度下降越来越慢。
5．（2005苏州）刻度尺，温度计，量筒，弹簧测力计，电流表和电压表是物理实验中的常用仪器。通过比较可以发现，这些仪器具有—些共同的特点。例如它们都有一定的量程。
上述仪器还有的共同特点是（只要求写出2个）：
（1）__________________________________________________；
（2）__________________________________________________。
答案：（1）一定的分度值
（2）刻度是均匀的
6．（2005南京）有一天，小明在家观察洗衣机排水后，对容器排尽水的时间与排水孔的大小之间的关系产生了浓厚的兴趣。为此他找来四个同样大小的圆柱形塑料容器，在它们的底部相同位置各开一个排水圆孔，排水孔的直径d分别是1．5cm、2．0cm、3．0cm和5．0cm。在容器里放入30cm深的水，打开排水孔让水流出，用秒表测量水完全流出所需的时间t分别为73．0s、41．2s、18．4s和6．8s。
（1）请设计一个表格，并将小明测得的数据填写在表格中。
（2）请在图3中画出排尽水的时间t与排水孔直径d的关系图线。
（3）分析实验数据，初步可以看出t与d之间韵关系为：d越大，t_____，但是还不能确定它们之间明确的数量关系。
（4）请你猜想t与d之间可能存在的数量关系，并根据以上数据写出证实你猜想的思路。
猜想：________________________________________。
思路：_________________________________________。
答案：（1）
排水孔直径d／cm
1．5
2．0
3．0
5．0
排尽水的时间t/s
73．0
41．2
1 8．4
6．8
（2）图线如下
（3）越小
（4）t与d2成反比，可以作出t与图线，并观察图线是否为一条直线
（说明：本小题只要答案合理均正确）
7．（2005南通）为探究滑动摩擦力大小与什么因素有关，小明设计了如图4甲所示的实验。
⑴如果要想利用此实验来探究滑动摩擦力的大小与压力的关系，应设计怎样的实验步骤？
⑵在探究滑动摩擦力的大小是否与物体间的接触面积有关时，小明先后用大、小木块按照图甲所示的方法进行对比实验。小明的做法是否正确？为什么？
⑶在研究此问题时，小红设计的实验如图4乙所示，弹簧测力计一端固定，另一端钩住长方形木块，木块下面是一长木板，实验时拖支长木板，然后读出弹簧力计的示数，即可测出木块和木板之间的摩擦力。小明看了小红的实验后，认为小红设计的实验优于自己设计的实验。对此你能说出其中的原因吗？
答案：⑴弹簧测力计拉动木块，使它做匀速直线运动，读出此时弹簧测力计的示数F1；
在木块上面加一个重物，再用弹簧测力计拉动木块，使它做匀速直线运动，读出此时弹簧测力计的示数F2；比较F1和F2的大小。
⑵不正确。实验过程中没有保持相同的压力。
⑶木块不必做匀速直线运动（或弹簧测力计保持静止，便于读数）
小丽和他的同伴在探究凸透镜成像的规律的实验，请你和他们一起来参与探究吧。
（1）选用蜡烛，凸透镜，光具座等器材，调节他们的高度，使（ ），（ ）和（ ）在一条与光具座平行的直线上。
（2）测定凸透镜的焦距：_________________________________。
（3）把蜡烛放在离凸透镜大于2倍焦距的位置上，调整光屏到透镜的距离，使烛焰在屏上成一个清晰的像。观察到像的情况是（ ），（ ），（ ）像。
（4）逐渐把蜡烛向凸透镜靠近，这时光屏就要（ ）凸透镜才能成清晰的像，进行观察和测量。
（5）直到蜡烛到透镜的某一位置时，无论怎样移动光屏也不能成像，这时眼睛通过（ ）向（ ）处看，才能看到像，观察并记录测量结果。
（6）实验结论：物距减小时，像距（ ），像（ ）。物体在（ ）时，成倒立，缩小的实像；在（ ）时。成倒立，等大的实像；在（ ）时，成倒立，放大的实像；在（ ）时，成正立，放大的虚像
(1)蜡烛火焰 凸透镜主光轴 光屏
(2)移动蜡烛，凸透镜，使光屏上成一个点的像，凸透镜到光屏的距离就是焦距
(3)缩小 倒立 实
(4)远离
(5)凸透镜 蜡烛
(6)增大 变大 大于2倍焦距处 2倍焦距处 小于2倍焦距大于焦距处 小于焦距处
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