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利用控制变量法进行探究
专训16
沪粤版 八年级下
八年级物理（下）提分专训
教你一招
物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，这种方法叫控制变量法。
他们选择了甲、乙、丙3根弹簧作为研究对象。已知弹簧甲和丙是同种金属丝，弹簧乙是另一种金属丝，甲和乙原长均为6 cm，丙原长为9 cm，其他条件均相同。将弹簧的一端固定，另一端用弹簧测力计以不同大小的力拉，如图所示。表一是实验数据记录。
表一
弹簧受到 的拉力F/N 0 1 2 3 4 5 6 7
甲 弹簧的 长度/ cm 6.0 6.6 7.2 7.8 8.4 9.0 9.7 10.8
乙 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0
丙 9.0 9.9 10.8 11.7 12.6 13.5 14.4 15.9
（1）分析表中数据可知：在拉力相同的情况下，甲弹簧伸长的长度 　小于　 （填“大于”或“小于”）乙弹簧伸长的长度。
（2）要证实猜想一，需比较 　甲和丙　 两组弹簧的数据。
小于　
甲和丙　
（3）请根据表一中弹簧甲的数据，将表二填写完整。
表二
弹簧受到的拉力F/N 0 1 2 3 4 5 6 7
弹簧甲的 伸长量Δl/cm 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 4.8
（4）分析数据可知：在一定的弹性限度内，同一弹簧的伸长量与它所受的拉力成 　正　 比。
（5）进一步综合分析数据还可得出：弹簧的伸长不仅跟拉力大小有关，还跟弹簧的 　长度　 和 　材料　 有关。
2.4
4.8
正　
长度　
材料　
探究滑动摩擦力大小的影响因素
2.如图所示，小明在“探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关”的实验中：
（1）实验时用弹簧测力计在水平方向上拉动木块，使其在水平桌面上做 　匀速直线　 运动，可得出滑动摩擦力的大小。
（2）观察图甲、乙两次实验，发现弹簧测力计的示数F1＜F2，由此可得结论： 　压力一定时，接触面越粗糙，摩擦力越大　 。
匀速直线　
压力一定时，接触面越粗糙，摩擦
力越大　
（3）在图甲中木块运动的速度大小为v1，图乙中木块运动的速度大小为v2，实验过程中关于v1和v2的大小，下列说法正确的是 　D　 （填字母）。
A.v1一定大于v2
B.v1一定小于v2
C.v1一定等于v2
D.v1可以大于、等于或小于v2
D　
（4）小明用图丙所示器材探究“滑动摩擦力与压力的关系”时，通过改变沙桶中沙的质量来改变铁块对硬纸板（质量忽略不计）的压力，在抽拉硬纸板的时候
利用压力传感器和拉力传感器测出压力和拉力。
①实验过程中 　不需要　 （填“需要”或“不需要”）匀速直线拉动硬纸板。
②多次实验后小明得到滑动摩擦力Ff与压力F压的关系图线如图丁所示，由图可知：Ff＝ 　0.25　 F压，当压力为12 N时，拉力传感器测出的拉力为 　3　 N。
不需要　
0.25　
3　
（1）间接测定木块受到的摩擦力：当木块做匀速直线运动时，在水平方向上所受拉力与摩擦力平衡，大小相等，摩擦力的大小可以从弹簧测力计上读出，所以，在实验中必须拉动木块做匀速直线运动。
【点拨】
（2）甲、乙两次实验中，木块对接触面的压力相等，乙中接触面比甲中粗糙，结果是乙中接触面对木块的摩擦力大，由此能够得到初步结论：当压力一定时，接触面越粗糙，摩擦力越大。
（3）因为摩擦力大小与物体的运动速度无关，所以两次实验中，只要拉动木块做匀速直线运动就可以，对速度大小没有要求，故D正确。
（4） ①在本实验中，无论硬纸板是不是做匀速直线运动，铁块都处于静止状态，是平衡状态，受到的拉力与摩擦力相等，所以不需要匀速拉动硬纸板。
②Ff与F压的关系图像是一条过原点的直线，是正比例函数，所以二者成正比。当压力为6 N时，摩擦力为1.5 N，故二者比值为＝＝0.25。拉力与摩擦力相等，有F＝Ff＝0.25F压＝0.25×12 N＝3 N。
探究二力平衡的条件
3.在“探究二力平衡的条件”活动中：
（1）如果物体只受到两个力的作用，且处于 　平衡　 状态，说明这两个力是相互平衡的。由此，小明提出，能否利用如图甲所示的实验装置来探究二力平衡的条件？
平衡　
（2）小华认为，若采用小明的方案，必须测出物体所受的重力和拉力的大小来进行比较。研究发现，在小明的方案中，只能根据相互作用的关系直接测出 　拉力　 的大小，在未知二力平衡条件的前提下，另一个力无法直接测量，所以这一方案无法实施下去。
拉力　
（3）为此，两位同学不断改进并先后设计了三个实验方案，如图乙所示，请你判断出他们改进的先后顺序： 　B、A、C　 （用字母表示），这样的改进是为了 　减小摩擦力的影响　 。
B、A、C　
减小摩擦力的影响　
（4）如图丙是最终确认的实验方案。此方案中，由于
卡片重力远小于钩码重力　 ，故卡片的重力可忽略不计。
卡片重力远小于钩码重力　
（5）他们在最终的实验方案中发现：如果两个力不在一条直线上，物体会发生旋转，由此想到，我们用双桨在水中划船时，如图丁所示，为了使半圆形船头向右转，应该采用下列划水方式中的 　D　 。
D　
A.左、右桨同时向后划水
B.左、右桨同时向前划水
C.左桨向前划水，右桨向后划水
D.左桨向后划水，右桨向前划水
（1）由力的平衡可知，如果一个物体只受两个力的作用而处于平衡状态，则这两个力相互平衡。
（2）由图甲知，若采用小明的方案，必须测出物体所受的重力和拉力的大小来进行比较。研究发现，在小明的方案中，只能根据相互作用的关系直接测出拉力的大小，若在未知二力平衡条件的前提下，另一个力无法直接测量，故这一方案无法实施下去。
【点拨】
（3）图B为滑动摩擦，图A为滚动摩擦，图C只有滑轮间的摩擦，为了减小摩擦力对实验的影响，他们改进的先后顺序为B、A、C。
（4）此方案中，由于卡片的重力远小于钩码的重力，所以卡片的重力可以忽略不计。
（5）左、右桨同时向后划水，桨给水向后的力，由于力的作用是相互的，水给桨向前的力，使船向前运动，故A不符合题意；左、右桨同时向前划水，桨给水向前的力，由于力的作用是相互的，水给桨向后的力，使船向后运动，故B不符合题意；左桨向前划水，桨给水向前的力，由于力的作用是相互的，水给桨向后的力，使船左边向后运动；
右桨向后划水，桨给水向后的力，由于力的作用是相互的，水给桨向前的力，使船右边向前运动，使船向左旋转，故C不符合题意；右桨向前划水，桨给水向前的力，由于力的作用是相互的，水给桨向后的力，使船右边向后运动；左桨向后划水，桨给水向后的力，由于力的作用是相互的，水给桨向前的力，使船左边向前运动，使船向右旋转，故D符合题意。
探究物体不受力时怎样运动
4.某兴趣小组利用如图装置探究“阻力对物体运动的影响”，让小车从同一斜面同一高度由静止滑下，用频闪照相机拍下小车的照片。
（1）图丙中的水平面是 　木板　 （填“毛巾”“棉布”或“木板”），小车受到的阻力 　最小　 （填“最大”或“最小”）。该实验可以进一步推理出牛顿第一定律，这里应用的科学方法是 　科学推理法　 。
木板　
最小　
科学推理法　
（2）小川发现三次实验中，小车仅在木板上滑行时滑出了右端，那么是否需要重做本实验以获取可靠的证据呢？答： 　不需要　 （填“需要”或“不需要”）。
不需要　
（3）分析小车运动情况可知，小车受到的阻力越小，小车运动的距离越 　远　 ，小车运动的速度改变得就越 　慢　 （填“快”或“慢”）。由此推理可知，若水平面绝对光滑，则运动的小车将在水平面上做 　匀速直线运动　 。
远　
慢　
匀速直线运动　
（4）甲、乙、丙三次实验中，小车在水平面上从运动到静止的过程中，速度变化量的大小排序为 　B　 。
A.Δv甲＞Δv乙＞Δv丙
B.Δv甲＝Δv乙＝Δv丙
C.Δv甲＜Δv乙＜Δv丙
B　
（1）木板表面最光滑，小车受到的阻力最小，通过的距离最长，故图丙中的水平面是木板。
小车受到的阻力越小，速度减小得越慢，通过的距离越远，故若小车在水平方向上不受力的作用，小车的速度将不变，该实验可以进一步推理出牛顿第一定律，这里应用的科学方法是实验推理法。
【点拨】
（2）实验中，仅在木板上运动时，小车滑出了右端，则说明小车在木板上滑行的距离最远，再通过比较其他两次实验中小车滑行的距离远近得到阻力对运动的影响，所以不需要重新做实验。
（3）毛巾、棉布和木板中木板最光滑，小车在木板上受到的阻力最小，滑行的距离最远，说明此时小车的速度改变得最慢。由以上实验知，水平面越光滑，小车受到的阻力越小，滑行的距离越远，小车的速度减小得越慢。当水平面绝对光滑时，小车所受的阻力为0，则小车的速度就不会减小，将在水平面上做匀速直线运动。
（4）小车到达水平面的速度相等，到最后都静止，所以速度的变化量相等，故B符合题意。
探究压力的作用效果的影响因素
5.小旭同学在探究压力的作用效果与哪些因素有关的实验中，选择了同种材料制成的高度相同、底面积相同的实心圆柱体和圆锥体各一个，做了甲、乙两组实验，沙面的凹陷程度如图所示。
（1）由 　乙　 组实验可知，在 　压力　 一定时，受力面积越小，压力的作用效果越明显。
（2）用 　甲　 组实验可研究超载对路面的危害。
（3）通过甲、乙两组实验中的1、4两次实验，小旭同学想根据手压在桌角比压在桌面上感觉更疼来验证压力的作用效果与受力面积的关系是否可行？ 　不可行　 （填“可行”或“不可行”），理由是 　没有控制压力大小相　 。
乙　
压力　
甲　
不可行　
没有控制压力大小相同
（4）下列生活中的感受与本实验探究的问题相近的是 　B　 。
A.烫手 B.勒手 C.冻手
B　
（1）探究压力的作用效果与受力面积的关系时应控制压力的大小不变，由乙组实验可知，在压力一定时，受力面积越小，压力的作用效果越明显。
（2）研究超载对路面的危害，要控制受力面积不变，改变压力大小，故用甲组实验可研究超载对路面的危害。
【点拨】
（3）研究压力的作用效果与受力面积的关系时要控制压力大小相等，通过甲、乙两组实验中的1、4两次实验，小旭同学想根据手压在桌角比压在桌面上感觉更疼来验证压力的作用效果与受力面积的关系不可行，理由是没有控制压力大小相同。
（4）生活中的感受与本实验探究的问题相近的是勒手，烫手、冻手是对温度的感觉。
探究液体压强大小的影响因素
6.同学们用如图所示的装置探究“液体压强”的特点。
（1）如图甲，装置使用前应该先检查装置是否漏气，方法是 　用手轻轻按压几下橡皮膜，如果U形管中的液面能灵活升降　 ，则说明装置不漏气。
用手轻轻按压几下橡皮膜，如果U形管中的液面能灵
活升降　
（2）彤彤说压强计上的U形管属于连通器，媛媛认为不属于，你同意谁的说法？为什么？ 　媛媛；连通器指底部连通，两端开口的容器，由图可知，U形管左端不是开口，所以不是连通器　 。
（3）想要知道液体的压强与液体的深度是否有关可以比较图 　乙和丙　 ；想要知道液体的压强与液体密度是否有关可以比较图 　丙和丁　 。
媛媛；连通器指底部连
通，两端开口的容器，由图可知，U形管左端不是开口，
所以不是连通器　
乙和丙　
丙和丁　
（4）将压强计探头的橡皮膜朝上逐渐浸入水中某一深度处，则压强计显示的是橡皮膜 　上方　 （填“各个方向”“上方”或“下方”）的水对它的压强，若图丙中U形管左侧液柱高6 cm，右侧液柱高12 cm，则U形管底部受到的水的压强为 　1 200　 Pa。（ρ水＝1.0×103 kg/m3，g取10 N/kg）
上方　
1 200　
（1）使用前检查装置是否漏气的方法是用手轻轻按压几下橡皮膜，如果U形管中的液面能灵活升降，则说明装置不漏气。
（3）探究液体的压强与液体的深度的关系，需要控制液体的密度相同，改变浸入液体的深度，由图可知，通过比较乙、丙两图可得出结论。
【点拨】
探究液体的压强与液体密度的关系，需要控制探头浸入液体的深度相同，改变液体的密度，由图可知，丙、丁两图中液体的密度不同，探头浸入液体的深度相同，所以可以通过比较图丙和图丁得出结论。
（4）将压强计探头的橡皮膜朝上逐渐浸入水中某一深度处，水在橡皮膜的上方，对橡皮膜有向下的压强，则压强计显示的是橡皮膜上方的水对它的压强。
图丙中U形管的右侧与大气相通，则U形管底部受到的液体的压强为右侧液柱产生的压强，即p＝ρ水gh＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×12×10－2 m＝1 200 Pa。
探究浮力大小的影响因素
7.如图所示为“探究浮力的大小跟哪些因素有关”的实验。
（1）物体受到的重力为 　3.2　 N，物体浸没在水中受到的浮力为 　1　 N。
3.2　
1　
（2）从实验步骤①→②→③的过程中，弹簧测力计的示数减小，说明物体受到的浮力 　变大　 （填“变大”“变小”或“不变”），该过程可以探究浮力的大小与 　物体排开液体的体积　 的关系。
（3）分析比较实验步骤① 　③④　 可得出：浮力大小与物体浸没在液体中的深度无关。
变大　
物体
排开液体的体积　
③④　
（4）利用实验步骤①③⑤，可以得出结论：物体在液体中所受浮力大小与 　液体的密度　 有关。
（5）在已知水的密度的情况下，利用该实验数据还可以求出盐水和物体的密度，若要求盐水的密度需要利用步骤①、 　③　 和 　⑤　 的数据。
液体的密度　
③　
⑤　
（1）由步骤①可知，物体受到的重力为3.2 N。
由步骤③可知，当物体浸没在水中时，弹簧测力计示数为2.2 N，所以物体浸没在水中受到的浮力F浮＝G－F＝3.2 N－2.2 N＝1 N。
【点拨】
（2）弹簧测力计的示数逐渐减小，由称重法可知，物体受到的浮力逐渐变大。
由步骤①②③可知，物体浸入水中体积越大，所受浮力越大，故该过程可以探究浮力的大小与物体排开液体的体积的关系。
（3）由步骤①③④可知，物体浸没在水中时，虽然物体在水中的深度不同，但弹簧测力计的示数不变，即所受到的浮力不变，就可以得出结论：浮力大小与物体浸没在液体中的深度无关。
（4）由步骤①③⑤可知 ，物体分别浸没在水中和盐水中，排开液体的体积相同，但物体在盐水中受到的浮力更大。可以得出结论：物体在液体中所受浮力大小与液体的密度有关。
（5）要求盐水的密度，需要先利用步骤①③测出的数据，算出物体在水中受到的浮力，根据阿基米德原理，用浮力和水的密度求出物体排开液体的体积，再利用①⑤测出的数据，算出物体在盐水中受到的浮力，根据阿基米德原理，用浮力和排开液体的体积可求出盐水的密度。
探究升力大小的影响因素
8.飞机飞行时的升力除了与机翼形状有关外，还与仰角（即图中迎角）大小、飞行速度有关。兴趣小组用图甲的装置进行实验探究。
（1）保持风速最大，调整飞机模型的仰角，记录升力测力计的示数，得到图乙的图像。可得出的结论是飞机以一定的速度飞行时，仰角从0°增大到20°的过程中，升力的变化情况是 　先增大后减小　 。
先增大后减小　
（2）用电风扇三个挡位的风速模拟飞机的飞行速度，研究飞机升力与飞行速度的关系，数据如下表。由此推测：若一架飞机在以10°的仰角飞行时，突然遇到强风，要保持飞机所受升力不变，飞行员应将飞机的仰角 　减小　 （填“增大”“减小”或“不变”）。
挡位 弱风 中风 强风
升力/N 2 5 9
减小　
（1）由图乙可知，飞机以一定的速度飞行时，仰角从0°增大到15°时，升力逐渐变大，仰角从15°增大到20°时，升力逐渐变小，因此仰角从0°增大到20°的过程中，升力的变化情况是先增大后减小。
（2）由表格可知，当飞机飞行速度越大时，受到的升力越大。若飞机在以10°仰角飞行时，突然遇到强风，升力将会增大，根据图乙可知，飞机的升力随仰角的减小而减小，因此要想保持升力不变，应当减小飞机的仰角。
【点拨】

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