初中物理控制变量法与探究性实验方案实验题

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）

在“探究实心圆柱体对地面的压强与哪些因素有关”的实验中，某中学一小组的同学们认为此压强跟圆柱体的密度 $\rho$、高度 $h$、圆柱体底面积 $S$是有关的，但有怎样的关系看法不同，于是，在老师的帮助下，小组的同学们从实验室里挑选了由不同密度的合金材料制成、高度和横截面积不同、质量分布均匀的实心圆柱体做实验，测出实心圆柱体竖直放置时（如图所示）对水平桌面上海绵的压下深度，实验记录见下表。

序号	物体	底面积 $S/c{m}^2$	高度 $h/\mathit{cm}$	海绵被压下深度 $/\mathit{cm}$
1	合金甲圆柱体 $A$	10	5	0.5
2	合金甲圆柱体 $B$	10	10	1
3	合金甲圆柱体 $C$	20	10	1
4	合金乙圆柱体 $A$	10	5	1.5
5	合金乙圆柱体 $B$	10	10	3
6	合金乙圆柱体 $C$	20	10	3

（1）该小组同学是通过　　来判断压强大小的。

（2）分析实验1、2或4、5可以得出：当圆柱体的材料密度相同时，实心圆柱体对水平地面的压强与圆柱体的　　有关。

（3）分析　　可以得出，当圆柱体的密度相同时，实心圆柱体对水平地面的压强与底面积无关。

（4）此探究过程用到的科学探究方法有　　、　　。

（5）实验结束之后，同学们在老师的指导下，以某一合金甲圆柱体为研究对象，推导它对海绵的压强大小的表达式（已知合金的密度为 $\rho$，圆柱体合金的高度为 $h$，底面积为 $S)$。表达式为　　。

（6）上面推导出的表达式　　（选填“能”或“不能” $)$应用于各类固体的压强的计算。

学校将要进行掷铅球比赛，同学们就如何才能把铅球掷得更远，做出了如下猜想。

猜想一：铅球掷出的距离，可能与掷出铅球时的速度大小有关；

猜想二：铅球掷出的距离，可能与掷出铅球时的射出仰角 $\theta$（投掷方向与水平方向的夹角）有关。

根据猜想，他们制作了一个小球弹射器（如图所示），它能使小球以不同速度大小和方向射出，弹射方向与水平的角度，可由固定在铁架台上的量角器读出，他们通过5次实验得到表中的数据：

实验 次数	射出速度 $v/(m/s)$	射出仰角 $\theta$	射出距离（水平 距离） $s/m$
1	5	$30°$	2.9
2	10	$30°$	9.5
3	10	$45°$	10.8
4	10	$60°$	9.1
5	15	$30°$	10.7

请你根据上述所收集的信息和相关证据回答下列问题：

（1）为了验证猜想一，应选用序号为　　三次的实验数据，得出的结论是：在　　一定时，物体抛出的　　越大，抛出的距离越远；

（2）为了验证猜想二，应选用序号为　　三次的实验数据，得出的结论是：铅球掷出的距离还与铅球掷出时的仰角 $\theta$为有关。

观察、实验、推理是物理研究的重要手段，物理学家伽利略因观察到比萨大教堂穹顶上吊灯因风不停摆动，发现了摆的重要特性。某兴趣小根据当时情况，准备了小钢球（大小可忽略不计）。弹性很小的结实轻细绳等器材组成了图甲装置。在无风的情况下，把小钢球拉离到最低位置（A） $x$处释放。如图乙所示，小钢球将来回摆动。兴趣小组猜想影响小钢球往返一次的时间因素有：摆绳长 $l$，小钢球质量 $m$，起始小钢球拉离到最低位置（A）的距离 $x$。由此进行实验，用秒表记下小钢球往返的时间。实验数据记录如下：

实验 次第	摆绳 长 $/\left(m\right)$	小钢球 质量 $\left(m\right)$	最初将小钢球拉至最低 位置的距离 $x\left(\mathit{cm}\right)$	小钢球往返动 一次 的平均时间 $\left(s\right)$
1	1	50	5.0	1.99
2	1	50	7.0	2.00
3	1	50	9.0	2.00
4	1	100	9.0	2.00
5	1	150	9.0	2.00
6	2	50	9.0	2.83
7	4	50	9.0	3.99

（1）由表中　　（填表中实验次第序号）三组数据可知：小钢球往返一次的时间与小钢球拉离最低位置的距离 $x$无关；

（2）由表中第3、4、5次实验数据分析可知：小钢球往返一次的时间与　　无关：

（3）由表中第3、6、7次实验数据分析可知：摆绳越长，小钢球往返一次的时间越　　；

（4）我们生活用的摆钟（如图丙），就是利用这一原理工作的，有人发现正在工作的摆钟往返一次的时间变长了（即钟的走时比准确时慢），则需将摆锤往　　调（填“上“或“下” $)$。

“扔纸飞机”是民间传统游戏，某兴趣小组同学认为：纸飞机的飞行距离除了与发射速度的大小有关外，还可能与纸飞机大小、材料和发射角度等因素有关。

为了验证猜想，小组成员将打印纸和旧报纸裁成不同面积的纸张，制作了相同形状的纸飞机若干个，利用固定在室内某一位置的简易发射器，以相同大小的发射速度和不同发射角度（发射方向与水平面的夹角）进行多次实验，整理相关数据如表一。

表一：纸飞机飞行距离与发射角度关系记录表

编号	纸张大小	纸张材质	不同发射角度飞行的平均距离（米 $)$
			$0°$	$15°$	$30°$	$45°$
①	18厘米 $\times 26$厘米	打印纸	6.5	15.8	15.0	8.9
②	18厘米 $\times 13$厘米	打印纸	6.4	15.8	15.1	8.8
③	18厘米 $\times 26$厘米	旧报纸	5.6	14.2	13.2	7.6

（1）结合表一信息，分析该实验中纸飞机飞行距离与发射角度之间的关系：　　。

（2）若要寻找纸飞机最大飞行距离的发射角度，在上述研究结果的基础上，应如何设置发射角度进行进一步实验？　　。

（3）小组成员又制作了三架形状相同的纸飞机，用该发射器以相同大小的发射速度进行实验，实验要求如表二。若甲、乙、丙这三架纸飞机飞行距离分别为 $s_{甲}$、 $s_{乙}$、 $s_{丙}$，请预测它们的大小关系：　　。

纸飞机	纸张大小	纸张材质	发射角度
甲	18厘米 $\times 13$厘米	打印纸	$15°$
乙	18厘米 $\times 13$厘米	旧报纸	$30°$
丙	18厘米 $\times 13$厘米	旧报纸	$15°$

物理小组想探究导电液体的导电性与接入电路中液体横截面积大小的关系．他们用长方体水槽、浓度一定的食盐水、电源、滑动变阻器、电压表及电流表等器材进行了探究。实验电路连接如图所示，将电极、分别固定在水槽左右两侧底部的中央。

（1）闭合开关前，为保护电路，应将滑动变阻器的滑片移到最　　（选填“左”或“右” 端。

（2）实验中，通过调节　　来保持电极、间的电压恒为．控制其他条件不变通过向水槽中添加食盐水，从而达到改变食盐水的　　的目的，用电流表测出相应的电流值。食盐水导电性的强弱可以由　　来判断。实验数据如下表：

实验序号	横截面积	电流
1	50	0.02
2	100	0.04
3	150	0.07
4	200	0.08
5	250	0.11
6	300	0.13
7	350	0.14
8	400	0.14
9	450	0.14

（3）依据表格中的数据在图中描点，做出电流随横截面积变化的图象。

（4）分析表格中的数据或图象，可得到初步结论：其他条件不变，横截面积增大时，食盐水的导电性　　。

（5）为验证实验结论是否具有普遍性，应采取的做法是：　　。

小柯在课外活动时，偶然将两个弹性球叠放在一起同时自由下落，发现上面小球反弹的高度大于下落的高度。于是，他想探究同一个上面小球反弹的高度与哪些因素有关，为此，他提出了三个猜想：①与两个弹性球下落的高度有关；②与下面弹性球的质量有关；③与下面弹性球的材料有关。

为了验证猜想：小柯选取了质量为 $10g$的 $A$球作为上面的反弹小球，用体积相同的 $B$、 $C$、 $D$三个球分别作为下面的弹性球，如图所示， $B$、 $C$两球质量相同但材料不同， $C$、 $D$两球材料相同但质量不同，小柯在同一水平地面上做了多次实验，实验数据如表：

实验序号	下面弹性球	质量 $/\mathit{kg}$	下落高度 $/m$	$A$球反弹高度 $/m$
1	$B$	0.5	0.9	1.6
2			1.1	1.9
3			1.3	2.1
4	$C$	0.5	0.9	1.7
5			1.1	2.0
6			1.3	2.5
7	$D$	0.8	0.9	2.2
8			1.1	2.3
9			1.3	2.8

（1）小柯实验选取的测量工具有电子秤和　　。

（2） $A$球下落过程中，将重力势能转化为它的　　能。

（3）比较三次实验序号　　，可以初步得出的结论是：在下面弹性球的质量、材料等条件一定时，下落高度越高，上面弹性球反弹的高度越高。

（4）比较实验序号4、7（或5、8或6、 $9)$，可以初步得出的结论是：在下面弹性球的材料、下落高度等条件一定时，　　，上面弹性球反弹的高度越高。

（5）为了探究猜想③，除了选取 $A$球作为上面的反弹小球外，还应在 $B$、 $C$、 $D$三个弹性球中选择　　两球进行实验。

（6）实验表明，每次所测 $A$球反弹的高度总比下落高度要高，是因为在两球碰撞时下面弹性球对上面 $A$球做功，使 $A$球机械能总量　　（选填“增大”“减小”或“不变” $)$，这一现象　　（选填“违背”或“不会违背” $)$能量守恒定律。