初中物理控制变量法与探究性实验方案试题

在学习"流体压强与流速关系"后，同学们知道了当气流吹向机翼时，飞机会获得升力，并且在相同条件下，气体的流速越大，飞机获得的升力也越大。为了探究飞机获得的升力与其他因素的关系，研究人员利用 $3D$ 打印机制作出大小不同的纸机翼模型进行风洞模拟实验，如图甲所示。用传感器测量相关数据，进行分析研究。

（1）研究人员利用控制变量法探究飞机获得的升力与机翼投影面积的关系时，实验数据如表所示。

①分析数据，你得出的初步结论是 　　。

②此实验选用三组不同的风速分别进行是为了 　　。

机翼投影面积     $S/m^2$	风速为     $v_1$ 时飞机获得的升力     $F_1/N$	风速为     $v_2$ 时飞机获得的升力     $F_2/N$	风速为     $v_3$ 时飞机获得的升力     $F_3/N$
0.01331	0.032	0.027	0.023
0.00998	0.023	0.021	0.017
0.00665	0.015	0.013	0.011

（2）通过上述信息分析可知： $v_1$ 　　 $v_2$ （选填"大于"或"小于" $)$ 。

（3）研究人员又探究了飞机获得的升力 $F$ 与迎角 $\alpha$ 的关系，根据实验数据绘制的图像如图乙所示。分析图像，你得出的结论是 　　。

思与行是学习物理的核心素养，在一次物理课上，老师演示了甲图所示的一个物理现象，小孙同学由此思考，水的落地点到瓶子的水平距离与哪些因素有关呢？接着他在脑海中构建了这个问题的物理模型，如图乙所示：即实际上问题就是被水平抛出的小球，它的落地点到初始点的水平距离可能与哪些因素有关？经过观察思考并结合课上所学的内容，小孙做了如下猜想：

猜想一：小球落地点到初始点的水平距离 $s$可能与小球的高度 $H$有关；

猜想二：小球落地点到初始点的水平距离 $s$可能与被抛出时的初速度 $v$有关；

然后，小孙选取了一个钢球，利用高度可调的桌子，与比较光滑的斜面组成图丙所示的装置，并进行了实验和相关测量，得到了部分数据如下表所示。

同一钢球， $H=1.0m$
次数	小珠高度 $h/m$	落地点到初始点的水距离 $s/m$
1	0.1	0.63
2	0.2	0.89
3	0.3	1.09

（1）在实验中让钢球从斜面的不同高度由静止滚下，其目的是下列选项中的　      　（选填“ $A$”或“ $B$”）；

$A$．使钢球到达桌面的速度不同 $B$．使钢球到达桌面的速度相同

（2）这里用到的实验方法是　        　（选填“等效替代法”或“控制变量法”）；

（3）分析表中数据可知猜想　        　（选填“一”或“二”）是正确的。

为探究光照强度对光合速率的影响，用如图装置进行实验。在适宜且恒定温度下，改变灯与烧杯间的距离，分别测得金鱼藻1分钟内放出的气泡数（如表）。

灯与烧杯的距离 $/$厘米	10	15	20	25	30	35	40	45
气泡数 $/$个	18	15	10	8	6	4	2	0

（1）实验中灯功率不变，控制光照强度的方法是　　；

（2）当灯与烧杯的距离在一定范围内时，能产生气泡且随着距离增加气泡数越来越少的原因分别是　　。

探究“水平抛出物体飞行的距离 $s$与物体质量 $m$、抛出高度 $H$、抛出时的速度 $v$的关系”时，设计并进行了如图甲实验。

实验一：质量不同的 $A$、 $B$球在斜面同一高度处由静止滑下，下落到不同高度的地面。

实验二：质量不同的 $A$、 $B$球在斜面不同高度处由静止滑下，下落到同一高度的地面。

实验得到表一、表二两组数据：

表一

$m_A=100$克， $m_B=50$克， $h=0.2$米
次数	球	桌面离地高度 $H/$米	落地点与抛出点水平距离 $s/$米
1	$A$	0.5
2	$A$	1.0	0.74
3	$A$	1.5	0.90
4	$B$	0.5	0.53
5	$B$	1.0	0.74
6	$B$	1.5	0.91

表二

$m_A=100$克， $m_B=50$克， $H=1.2$米
次数	球	小球在斜面高度高度 $h/$米	落地点与抛出点水平距离 $s/$米
1	$A$	0.1	0.59
2	$A$	0.2	0.81
3	$A$	0.3	0.99
4	$B$	0.1	0.58
5	$B$	0.2	0.81
6	$B$	0.3	1.00

（1）如图乙是 $A$球从斜面高 $h=0.2$米处下落时，测量球落地点与抛出点水平距离的示意图，该距离是　　米。

（2）实验一，球在斜面的同一高度静止释放，是为了保持小球离开桌面时的　　相同。

（3）根据实验数据，可得出的结论是　　。

科学兴趣小组做了一个有趣的纸盒实验：在水平桌面的右端放有一个封闭纸盒，一辆绑有磁铁的小车从斜面上静止下滑后在水平桌面上向右运动。在靠近纸盒的过程中小车的速度越来越小，最后停在了 $A$位置。如图所示。

小组同学对这一现象展开了讨论：

（1）小明认为小车速度减小除了受到了摩擦力的作用外，可能还受到纸盒的影响。为了证实他的猜想，小明应该如何设置实验？　　

（2）小明通过实验发现，纸盒能使小车运动速度减小得更快。那纸盒里有什么呢？小芳提出了以下假设：

假设1：纸盒中有铁块。

假设2：纸盒中有磁体。

假设3：纸盒中有闭合的线圈。

小强根据已学的知识否认了　　。

（3）小强打开纸盒，发现里面是一个闭合的线圈。为什么闭合的线圈会使小车的速度减小得更快？请对这一现象作出合理的解释。　　。

今年5月，昆明市气温连续10天达到 ${30}^{°}\text{C}$左右，让“冬无严寒，夏无酷暑”的昆明人着实体验了一下什么叫“酷暑难耐”。往室内地面上洒水、打开窗户通风、尽量穿短衣短裤等避暑手段纷纷登场。这些措施为什么可以使人感觉到凉爽？小林同学准备了滴管、水、两块玻璃片、吹风机（有加热和不加热两档），请你加入进来一起探究蒸发快慢与哪些因素有关。

（1）小林用滴管把两滴水分别滴在两块玻璃片上，并将其中一滴水摊开，把它们放在室内，观察蒸发情况，这是探究蒸发快慢与　　的关系；

（2）如果要探究蒸发快慢与液体表面空气流动快慢的关系，应该　　然后用吹风机（不加热档）　　，观察蒸发情况；

（3）为了探究蒸发快慢与温度的关系，小林用滴管把两滴水分别滴在两块玻璃片上，然后用吹风机（加热档）去吹其中一滴水，观察蒸发情况，这样做是　　的，原因是　　；

（4）该实验将水滴在玻璃片上而不滴在木板上，这是为了　　；

（5）发烧病人使用酒精擦拭身体降温比用水擦拭的效果更好；一滴油和一滴水掉在玻璃桌面上，水很快就不见了，而油还在，由此，你的猜想是　　；

（6）小林同学上公共厕所洗完手后，用如图所示的烘干机（手一放进去就自动吹暖风的机器）使手上的水快速蒸发。当他把干燥的左手和沾水的右手，同时放进烘干机内，左手感觉吹的是暖风，而右手感觉吹的却是凉风，这是因为　　。

（1）生活中，我们会遇到下面的现象：

现象一：如图1所示，将两个相同的鸡蛋先后从同一高度静止释放，鸡蛋甲落到地板上，摔烂了；而鸡蛋乙落到一块海绵上，完好无损。此现象说明鸡　　蛋受到的撞击力较小（填“甲”或“乙” $)$。

现象二：如图2中 $a$所示，一根细线拴着一个重物，把重物拿到一定高度，然后释放，重物可以把细线拉断；如图2中 $b$所示，如果在细线上端拴一段橡皮筋，再从同样的高度释放该重物，细线就不会被拉断。此现象说明细线中的拉力是图　　中的较小。这就是典型的“软着陆”或“缓冲”现象，这种现象背后的物理原因是什么呢？

①现象一中，鸡蛋甲从接触地板到摔烂的时间为 $t_1$，鸡蛋乙从接触海绵到抵达最低点的时间为 $t_2$，则 $t_1$　　 $t_2$（填“ $<$”、“ $=$”或“ $>$” $)$。

②现象二：图 $a$中，细线从刚好拉直到它断开的时间为 $t_3$；图 $b$中，细线从刚好拉直到物体下落到最低点的时间为 $t_4$，则 $t_3$　　 $t_4$（填“ $<$”“ $=$”或“ $>$” $)$。

（2）综上分析，导致上述现象中两个力变小的可能原因是　　；

（3）为了进一步探究这种现象，兴趣小组的同学做了一个实验：先后三次让同一个同学骑同一辆自行车，从斜坡上的同一位置由静止开始滑下，每次到达坡底进入同一水路面时用大小不同的力捏刹车，实验数据如下表所示：

实验次数	捏刹车的用力情况	在水平面上滑行时间
1	较小的力	$40s$
2	较大的力	$17s$
3	更大的力	$4s$

由以上实验数据可以得出的结论是：在质量和速度相同的情况下，要使物体停下来作用　　越长，作用力越　　。

（4）生活中这样的例子是很多的，例如人从高处跳到地面上时，膝盖会无意识的弯一下，这是通过　　

而　　地面对人的冲击力。

（5）下列现象中没有利用缓冲知识的是　　。

$A$．自行车坐垫上装减震弹簧

$B$．跳远时跳到沙坑里

$C$．装修时用橡胶锤敲打地砖而不用铁锤

$D$．用撬棒撬石头

过山车在圆形轨道最高点时不会掉落。佳佳认为，这是因为过山车到达该位置时还有一定速度。那么，这个速度的大小与哪些因素有关呢？她提出了以下猜想：

猜想一：过山车到达圆形轨道最高点时的速度与过山车的质量 $m$有关；

猜想二：过山车到达圆形轨道最高点时的速度与过山车开始下滑的高度 $h$有关。

她设计了如图所示的装置进行实验，用小球代替过山车从斜面不同高度由静止开始滚下，并在通过圆形轨道的最高点后，落在足够长的水平轨道上，实验中摩擦可忽略不计。

测得的实验数据如下表所示：

实验次数	球的质量 $m/\mathit{Kg}$	球开始下滑的高度 $h/m$	球的水平射程 $s/m$
1	0.1	0.5	0.4
2	0.1	0.8	0.8
3	0.2	0.5	0.4

（1）实验中用水平射程的大小来反映小球达到圆形轨道最高点速度的大小，运用了　　法（填物理方法名称）。

（2）分析　　两次实验数据可知，过山车到达圆形轨道最高点的速度与过山车的质量　　（填“有关”或“无关” $)$。

（3）分析1、2两次实验数据可推知，过山车到达圆形轨道最高点的速度随过山车在斜面上开始下滑的高度的增大而　　（选填“增大”或“减小” $)$。

夏天我们经常使用电风扇，电风扇吹出风的强度与什么因素有关？对此小明提了两个猜想，并利用玩具电风扇来进行探究。

猜想一：电风扇吹出风的强度与距离电风扇的远近有关；

猜想二：电风扇吹出风的强度与扇叶的转速有关；

为证实上述猜思小明同学设计了如图甲所示装置：将纸板 $B$固定在支架上，纸板 $A$与轻杆固定后悬挂在纸板 $B$上的转轴 $O$处，纸板 $A$和轻杆可绕转轴 $O$自由摆动，将电风扇放在左侧正对纸板 $A$．图中 $s$是纸板 $A$自然下垂时（虚线）到电风扇的水平距离， $\theta$是纸板 $A$问右摆动稳定后轻杆与竖直方向的夹角， $\theta$越大，说用电风扇吹出风的强度越强。

（1）探究猜想一：保持电风扇的转速不变，移动电风扇，使 $s$分别等于 $0.3\mathit{cm}$、 $0.5\mathit{cm}$、 $0.7\mathit{cm}$、 $0.9\mathit{cm}$，在纸板 $B$上分别标下纸板 $A$稳定时轻轩的位置 $a$、 $b$、 $c$、 $d$，如图乙所示，可知猜想一是　　（选“正确”或“错误” $)$的。

（2）探究猜想二：小明同学将一个滑动变阻器与电风扇的电动机　　（选填“串联”或“并联” $)$，在探究过程中，还要保持　　不变。

（3）你认为电风扇吹出风的强度还可能与　　有关。（写出一个合理的答案）

物理学中研究一个量与几个量之间的关系时，常采用的物理学研究方法是　　法，在探究同一品牌电热水壶电流产生的热量与电功率的关系时，需要控制的变量是　　（选填“电流”、“电阻”或“通电时间” $)$，加热过程中水变为水蒸气发生的物态变化是　　（选填“汽化”、“液化”或“升华” $)$

现需要研究的课题有：①导体的电阻跟它的横截面积的关系；②导体的电阻跟它的长度的关系；③导体的电阻跟它的材料的关系。给出三根镍铬合金线 $a$、 $b$、 $c$（其长度关系 $l_a=l_b>l_c$，横截面积关系 $S_a>S_b=S_c)$，电源、电流表、开关各一个、若干根导线，可以完成的研究课题是 $($　　 $)$

A．只有①B．只有②C．①和②D．①、②和③

下列实验，正确运用控制变量方法的是 $($　　 $)$

A．研究液体压强与液体密度的关系，将压强计的探头放入不同液体的同一深度

B．研究动能大小与质量的关系，将质量不同的小球从同一斜面不同高度自由滚下

C．研究电阻大小与材料的关系，将长度相同、粗细不同的铜丝和铁丝分别接入同一电路             

D．研究不同物质的吸热能力，使质量不同的水和食用油升高相同的温度

归纳式探究 $--$探究小球沿过山车轨道的运动

小雨观察到游乐场的过山车可以底朝上在圆形轨道上运动，游客却不会掉下来。他想探索其中的奥秘，做了以下两个探究：

（1）探究一：如图甲所示，小球由 $A$点沿光滑轨道自由运动到 $B$点，小球到达 $B$点的速度 $v$与高度 $h$和小球质量 $m$的关系，数据如表一。

表一：

实验次数	$h/m$	$m/\mathit{kg}$	$v^2/(m^2·s^{-2})$
1	0.2	$2.0\times {10}^{-2}$	4.0
2	0.4	$2.0\times {10}^{-2}$	8.0
3	0.4	$3.0\times {10}^{-2}$	8.0
4	0.8	$2.5\times {10}^{-2}$	16.0

则小球到达 $B$点的速度 $v$与　　有关，且 $v^2=k_1$　　。

探究二：如图乙所示，小球以一定速度从 $B$点沿光滑的竖直圆形轨道运动，恰好通过最高点 $C$．小球在 $B$点的速度 $v$与轨道半径 $r$的关系，数据如表二。

实验次数	$r/m$	$v^2/(m^2·s^{-2})$
1	0.15	7.5
2	0.30	15.0
3	0.45	22.5

则小球在 $B$点的速度 $v$与轨道半径 $r$的关系式为　　。

（3）如图丙所示，将甲、乙两轨道组合后，小球从 $A$点沿光滑轨道自由运动，若 $r=0.4m$，要使小球经过 $B$点后能恰好通过 $C$点，则 $h=$　　。

观察和实验是进行科学研究的基本方法，也是认识自然规律的重要途径。控制变量法就是一种常用的物理实验研究方法，如图所示的各项实验中不属于这种方法的是 $($　　 $)$

A．将两支试管放入一个烧杯中做熔化实验

B．取两根相同的蜡烛做平面镜成像实验

C．将两根电阻丝串联起来探究电热与电阻的关系

D．用一只手捏住物体探究压强与受力面积的关系

小明骑着自行车从平直的山坡上下来，他并没有再用力踩踏脚蹬，仍然发现他骑着的自行车越来越快，根据这一生活现象大家提出的下列科学问题中，最具有探究价值且易于探究的是 $($　　 $)$

A．自行车从山坡上向下运动的速度是否越来越大

B．物体沿斜面向下运动通过的路程是怎样变化的

C．自行车从山坡上向下运动的速度与哪些因素有关

D．物体沿斜面向下运动的过程中速度是怎样变化的