初中物理控制变量法与探究性实验方案综合题

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伽利略对摆动的研究

据说，某个星期天，伽利略在比萨大教堂参加活动，教堂穹顶上的吊灯因风吹而不停地摆动。伽利略被摆动的节奏性吸引住了。他发现，尽管吊灯的摆动幅度越来越小，但每一次摆动的时间似乎相等。

伽利略知道脉搏的跳动是有规律的，于是便按着脉搏注视着灯的摆动，发现每一次往返摆动的时间都相同。这使他又冒出一个疑问：假如吊灯受到强风吹动，摆得高了一些，每一次摆动的时间还相等吗？回到宿舍，他用铁块制成一个摆，把铁块拉到不同高度，用脉搏细心地测定摆动的时间。结果表明每次摆动的时间仍然相同。尽管用脉搏测量时间并不精确，但已经可以证明他最初的想法是正确的，即“不论摆动的幅度大些还是小些，完成一次摆动的时间是一样的”，这在物理学中叫做“摆的等时性”。

后来，伽利略又把不同质量的铁块系在绳端做摆锤进行实验；他发现，只要用同一条摆绳，摆动一次的时间并不受摆锤质量的影响。随后伽利略又想，如果将绳缩短，会不会摆动得快些？于是他用相同的摆锤，用不同的绳长做实验，结果证明他的推测是对的。他当时得出了结论：“摆绳越长，往复摆动一次的时间（称为周期）就越长。

（1）他用铁块制成摆，把铁块拉到不同高度，高度越高，铁块的　      　能越大，铁块运动到最底端时速度越　      　。

（2）不论摆动的幅度大些还是小些，完成一次摆动的时间是一样的，这在物理学中叫做　        　。

（3）他用相同的摆锤，用不同的绳长做实验，结果证明他的推测是对的。这种研究问题的方法叫　      　法。

如图所示，是小明制作的多功能实验装置，小车放在水平面上，把支架竖直固定在小车上，在支架中点 $O$ 处用一细线悬吊一个质量为 $m$ 的小球，其重力作用线刚好经过静止在小车上的小桶的中心。

（1）小车静止时，剪断细线，小球恰好落在小桶中；若拉着小车水平匀速直线运动的同时剪断细线，小球还能落在小桶中吗，为什么？

（2）利用小明的实验装置，提出一个还能研究的物理问题，并请写出研究该问题的主要操作方法。

在学习吉他的演奏过程中，小明发现琴弦发出声音的音调高低是受各种因素影响的，他决定对此进行研究，经过和同学们讨论，提出以下猜想：
　　猜想1：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的横截面积有关
　　猜想2：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的长短有关
　　猜想3：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的材料有关
　　　　为了验证上述猜想是否正确，他们找到了下表所列的4种规格的琴弦，因为音调的高低取决于声源振动的频率，于是借来了一个能够测量振动频率的仪器进行实验。

编号	材料	长度（cm）	横截面积（mm^2）
A	铜	60	0.76
B	铜	60	1.02
C	铜	100	0.76
D	尼龙	100

（1）为了验证猜想1，应选用编号为_____________________的琴弦进行实验；
（2）为了验证猜想2，应选用编号为______________________的琴弦进行实验。
（3）表中有的材料的规格还没有填全，为了验证猜想3，必须知道该项内容：请在表中填上所缺数据。

小豫在公园里看到一个小孩在荡秋千，她发现无论小孩的秋千荡得高还是低，来回摆动一次的时间好像并没有不同；当小孩离开后，秋千继续摆动的快慢似乎和有人时也相同。你们秋千来回摆动一次的时间会受到什么因素影响呢？她做出了一下猜想：
A．可能与秋千摆动的幅度有关；
B．可能与秋千和人的质量（就是生活中说的人的体重）人的有关；
C．可能与秋千吊绳的长度有关。
她决定用单摆来模拟秋千，探究单摆来回摆动一次的时间与什么因素有关，于是她准备了不同质量的小铁球、细绳、刻度尺、铁架台等器材，实验装置如图甲所示。

（1）实验器材中还应该有：_______________。
（2）小豫完成了实验并将数据记入上表，分析数据可知：单摆来回摆动一次的时间只与_____有关；由表中实验记录可知，单摆来回摆动一次时间比较短，直接测量摆动一次的时间误差比较大。你认为小明为了减小测量误差是怎么做的？
_____________________________________  
(3)本实验设计时运用的物理方法是 ___________________
（4）在摆线悬挂点O的正下方固定一铁钉P，将摆球从A点释放，摆线碰到铁钉后摆球仍能继续摆动，到达B点后再摆回，如此往复，如图乙所示。若摆长（即OA长度）为0.8m，则单摆在A、B两点间来回摆动一次所需时间应_______1.8s（选填：“大于”、“小于”或“等于”）。
（5）生活中若摆钟走慢了，应如何调整钟摆的长度？_____________________

小明家装修房屋，他和爸爸、妈妈一同到商店买木地板。售货员向他们宣传：硬度高的木板质量最好，同时拿出A、B、C三种不同品牌木地板样品，用刀在三种木地板上刻划，然后极力推荐其中划痕最不突出的C品牌地板。小明看后对爸爸、妈妈说这种比较方法不科学，并详细说明应该怎样控制变量，进行实验比较。爸爸、妈妈听后露出了满意的笑容。
请根据学过的物理知识判断，在售货员所做演示中，影响木地板划痕深度的两个主要原因并说明售货员应如何操作？

小丽在观察小提琴、二胡、贝司等弦乐器的弦振动时猜想：即使在弦张紧相同的条件下发声的音调高低也可能与弦的粗细、长度及弦的材料有关。于是，她通过实验来探究一下自己的猜想是否正确，下表是她在实验时控制的琴弦条件：

编号	材料	长度/cm	横截面积/m^2
1	铜	60	0.76
2	铜	80	0.76
3	铜	100	0.76
4	铜	80	1.02
5	尼龙	80	1.02
6	尼龙	100	1.02

 
（1）如果小丽想探究发声的音调与弦的粗细的关系，你认为应选用表中的编号为     
          的琴弦。（只填数字序号）
（2）探究过程通常采用下列的一些步骤：A、分析归纳  B、实验研究  C、提出问题（或猜想）D、得出结论
你认为小丽要完成本探究的全过程，所采取步骤的合理顺序应该是：                      （只填字母序号）
（3）如果小丽想探究发声的音调与琴弦的材料关系，你认为应选用表中的编号为   
            的琴弦。（只填数字序号）
（4）在上述探究过程中，总要控制某些因素不变，来找出另外一些因素的关系，这种科学的方法叫做                    。

小明观察到当我们逆风骑自行车时，弯着身体，会省力些；雨天，撑伞逆风行走时，风速越大，行走越困难．这是因为受到空气阻力的作用．物体所受空气阻力大小与哪些因素有关呢?小明猜想可能与物体的迎风面积和风速有关．为验证以上猜想，小明选用了如下器材：可调速电风扇（高、中、低三档）、弹簧测力计、面积不同的塑料挡板三块、光滑玻璃板、小车．

（1）小明设计了如图所示实验，用电风扇向小车及挡板吹风，模拟小车运动时受到的空气阻力．根据          的知识，通过弹簧测力计即可测出小车受到的空气阻力．
（2）小明在探究风速对小车所受空气阻力的影响时，保持迎风面积一定，测得数据如下：

风速	低	中	高
小车受到的空气阻力/N	0.8	2.2	3.8

通过对表中数据分析，可得出的结论是：                                ．
（3）小明还想探究迎风面积对小车所受空气阻力的影响，请你帮他设计出主要的实验步骤：                                                                ．
（4）你认为影响物体所受空气阻力大小的因素可能还有              （写出一个）．

人类在探索自然规律的过程中，总结出了许多科学研究方法，如：“控制变量法”、“等效替代法”、“类比法”、“转换法”、“理想模型法”、“科学推理法”等。
（1）下面是初中物理中的几个研究实例：①研究通过导体电流与导体的电阻的关系时，让导体两端的电压保持不变；②研究磁场时，引入“磁感线”；③研究动能与速度的关系时，让物体的质量保持不变；④研究电流时，把电流比作水流。其中，采用了相同研究方法的是（    ）
A．①和②                            B．①和③
C．②和④                            D．③和④
（2）下面的几幅图运用了          的方法说明分子也具有动能和势能。

 
（3）在“探究导体的电阻跟哪些因素有关”的实验中。同学们提出了下列几种猜想：
猜想1：电阻可能与导体的长度有关；
猜想2：电阻可能与导体的横截面积有关；
①根据你掌握的电学知识，你认为猜想3：电阻还与                            有关。

序号	材料	长度	横截面积
1	锰铜合金丝	L	S
2	镍铬合金丝	L	S
3	镍铬合金丝	L	2S
4	镍铬合金丝	2L	S

②小明设计了如图所示的电路图，在A、B间接入下表中待研究的电阻丝（电阻丝用电阻符号表示），电源电压U恒定。
   
若电阻受温度的影响可以忽略，要探究猜想1，应该控制          和           不变；要探究猜想2，应该选用电阻丝       和电阻丝       （填电阻丝的序号）进行对比实验。
③甲同学也利用以上的电路和电阻丝对猜想2进行了探究。甲同学的实验探究如下：
实验：先在A、B间接入电阻丝2，闭合开关S，记录电流表的示数为I₁；然后在A、B间接入电阻丝4，闭合开关S，记录电流表的示数为I₂；发现：I₁≠I₂。
分析：由于电阻丝2和4的横截面积不变，而两种情况下电路中电流的大小不等，所以电阻与导体的横截面积无关。
结论：猜想2是错误的。
对甲同学的实验探究，你认为他的实验方法是        （正确/错误）的，请具体指出他的错误是：                                           ，根据他的实验和他的分析思路还可得出：                                     的结论，这个结论是      （正确/错误）的。

右图是初二（2）班蔡海航同学做的四弦琴。其中每根弦的粗细都不相同，弦的松紧也可以调节。请你用它来研究琴的音调与哪些因素有关。

【提出问题】
老师的问题：琴的音调与弦的粗细有关吗？
你的问题：                                   
【猜想假设】
老师的猜想：琴弦越粗音调越低
你的猜想：                             
【设计实验】
请根据自己或者老师的猜想，设计一个实验方案来验证该猜想是否正确
（只写方法，不用写结论）。