Question

某科学兴趣小组完成了下列两个探究实验：
（1）实验桌上有细线若干、两种规格的钩码（0.5N、2N）足够多、弹簧测力计一只（量程为5N、分度值为0.2N）、三种规格的注射器A、B、C（量程分别为20ml、10ml和5ml）、滑轮一只以及刻度尺一把．要求利用现有器材粗略测量大气压强．甲同学设计的方案如图甲所示，乙同学设计的方案如图乙所示．请回答下列问题：

①两种设计方案，计算大气压强的公式是：________．
②实验中，应该在________时，读取弹簧测力计的示数（或钩码的重力）；
③甲同学在实验时发现，弹簧测力计被拉到5N时，活塞仍没有移动．欲仍然采用此方案完成实验，需作的改进是：________．
④请你帮他把乙同学设计的数据记录表格补充完整，标有“-----”符号的空格不需要填写．

钩码的个数	大气对活塞的压力F/N	注射器的刻度部分容积V/ml	________	活塞的横截面积S/m2	大气压强的值P/Pa
------	-------	-------	-------	-------	------

⑤按乙方案实验时，在增减钩码时无法达到实验要求，还需要的操作是：________
（2）如图所示，压缩弹簧，弹簧可以将小球弹起．弹簧将小球弹起的高度与哪些因素有关呢？（以下所有弹簧被压缩后都未超过其弹性限度）．

次　　数	1	2	3
弹簧被压缩的长度（cm）	△l1	△l2	△l3
小球被弹起的高度（cm）	h1	h2	h3

①小明利用一根弹簧、一个小球和刻度尺进行了三次实验，得出的三组不同数据如表所示（均不相等）：由表可得出的初步结论是：________．
②小红猜想：弹簧将小球弹起的高度可能与被压缩弹簧的材料有关．她设计的探究方案如下：
Ⅰ．将A、B两根外形完全相同，材料不同的弹簧分别置于水平桌面上；
Ⅱ．将小球置于弹簧A的上端，按下小球，使弹簧被压缩的长度为5cm，松手后小球被弹起，记下小球弹起的高度H₁；
Ⅲ．再将同一小球置于弹簧B的上端，按下小球，使弹簧被压缩的长度为6cm，松手后小球被弹起，记下小球弹起的高度H₂；
Ⅳ．比较H₁、H₂的大小，就可初步得出弹簧将小球弹起的高度是否与被压缩弹簧的材料有关了．小红探究方案中存在的一个问题是：________．
③影响弹簧将小球弹起的高度的因素可能还有________（说出一个影响因素即可）．

Answer 1

解：（1）①用弹簧测力计或钩码来求F，根据注射器容积和刻度的长来求面积，利用公式p=计算；
②当活塞刚开始滑动时，说明拉力正好克服了大气的压力，是一对平衡力，此时弹簧测力计的示数就等于大气产生的压力；
③因为大气的压强是一定的，根据公式F=pS，受力面积越小，压力也会越小，所以当弹簧测力计量程不够时，可换用小量程注射器；
④要想得到活塞的横截面积S，根据公式S=，我们必须还要量出注射器所有刻度的长L，见表格：

的个数	大气对活塞的压力F/N	注射器的刻度部分容积V/ml	注射器的全部刻度的长度L/m	活塞的横截面积S/m2	大气压强的值P/Pa
------	-------	-------	-------	-------	-------

⑤因为钩码的重力已经固定，缺少灵活性，所以加挂一定钩码后，再用弹簧测力计向下拉，当观察到刚开始滑动时读数．
（2）①比较三组实验中弹簧被压缩的长度和小球弹起的高度可知：弹簧被压缩的长度不同，弹簧将小球弹起的高度不同；
②要想研究弹簧将小球弹起的高度是否与被压缩弹簧的材料有关时，没有控制弹簧两次被压缩的长度相等（或没有将弹簧压缩相同的长度）；
③影响弹簧将小球弹起的高度的因素可能还有弹簧的粗细．
故答案为：（1）①p=； ②刚开始滑动；③换用小量程的注射器；④注射器的全部刻度的长度L/m；⑤加挂一定钩码后，再用弹簧测力计向下拉，当观察到刚开始滑动时读数．
（2）①弹簧被压缩的长度不同，弹簧将小球弹起的高度不同；
②没有控制弹簧两次被压缩的长度相等（或没有将弹簧压缩相同的长度）；
③弹簧的粗细．
分析：（1）①根据公式p=，用弹簧测力计或钩码来求F，根据注射器容积和刻度的长来求面积，这就是这一实验的基本设计思路．
②注射器内的空气我们要事先排净，拉动活塞滑动时的拉力就约等于大气对活塞的压力；
③压力的大小跟活塞的作用面积有关，在大气压强一定时，面积越小，压力会越小，所以应选择较小的注射器；
④测横截面积时，根据公式S=，我们还要量一个注射器刻度的长；
⑤因为很难保证拉力的大小正好是钩码重的整数倍，所以借助弹簧测力计还是很有必要的．
（2）①分析表中三组实验数据中的弹簧被压缩的长度和小球弹起的高度，得出初步结论；
②物理学中对于多因素的问题，常常采用控制变量的方法，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影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法，根据控制变量法的思想解答此题；
③结合我们的生活经验解答．
点评：（1）此类实验依据了p=，弹簧测力计测出的拉力正好是大气对活塞的压力，活塞的横截面积就是力的作用面积，这样就可以求出大气压强了．两种方案对比，甲方案更直接，但需要一支量程足够大的测力计，乙方案钩码的重固定，无法保证读数为整数，也需要借助测力计来测量．
（2）本题为探究弹性势能与哪些因素有关的实验，考查了分析实验能力、考查了学生对控制变量法、转换法的了解与掌握，属于难题．