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在同一钢梁、支撑柱间距$s$
一定时,钢梁的挠度h与所受压力F成正比
A4纸若干、一定数量的钩码和两个木块
将A4纸折成不同的形状,放在两个木块之间,搭成纸桥,再将钩码放在纸桥上,
逐渐增加钩码数量,直至纸桥被压弯
将A4纸折成不同形状,纸桥被压弯时,上面放置的钩码数量不同
A4纸的承重极限与纸的形状有关
【分析】
1. 探究挠度$h$与支撑柱间距$s$的关系时,根据控制变量法,需控制钢梁受到的压力$F$不变,仅改变支撑柱间距$s$,多次实验测量对应挠度$h$,以此寻找普遍规律,因此表格要包含实验次数、支撑柱间距$s$、固定的压力$F$、挠度$h$这几项。
2. 分析图(b)的$h-F$图像时,先定位$F=5000\ \mathrm{N}$对应的纵坐标值得到$h$;再根据图像为过原点的直线这一特征,结合控制变量的前提(同一钢梁、$s$固定),推导$h$与$F$的定量关系。
【解析】
(1) 探究$h$与$s$的关系,需控制压力$F$恒定,设计记录表格如下:
| 实验次数 | 支撑柱间距$s/cm$ | 压力$F/N$(控制不变) | 挠度$h/cm$ |
| :---: | :---: | :---: | :---: |
| 1 | | 3000 | |
| 2 | | 3000 | |
| 3 | | 3000 | |
(2) 观察图(b)的$h-F$图像:
当压力$F=5000\ \mathrm{N}$时,对应的挠度$h=10\ \mathrm{cm}$;
图像是过原点的倾斜直线,说明在同一钢梁、支撑柱间距$s$一定时,钢梁的挠度$h$与所受压力$F$成正比。
【答案】
(1) 表格(合理即可):
| 实验次数 | 支撑柱间距$s/cm$ | 压力$F/N$(控制不变) | 挠度$h/cm$ |
| :---: | :---: | :---: | :---: |
| 1 | | 3000 | |
| 2 | | 3000 | |
| 3 | | 3000 | |
(2) $\boldsymbol{10}$;在同一钢梁、支撑柱间距$s$一定时,钢梁的挠度$h$与所受压力$F$成正比
【知识点】
控制变量法,图像数据分析,探究影响物理量的因素
【点评】
本题结合桥梁工程的实际情境,考查控制变量法的应用、实验表格设计及图像信息提取能力,体现物理知识在工程技术中的实用价值,引导学生建立物理与生活的联系。
【难度系数】
0.7
【分析】
这是一项探究性实验,核心是研究A4纸的承重极限与形状的关系,需采用控制变量法,保证除纸的形状外,支撑物间距等其他条件均一致。首先要确定实验所需器材,需包含研究对象A4纸、搭建纸桥的支撑物、测试承重的配重物品;操作时要固定支撑物间距,将A4纸折成不同形状搭建纸桥,逐步增加配重直至纸变形,记录不同形状下的配重数量;最后通过观察不同形状纸对应的配重数量差异,总结出形状对承重极限的影响结论。
【解析】
本实验运用控制变量法探究纸的形状对承重极限的影响,需控制支撑物间距等无关变量相同,仅改变纸的形状。具体设计如下:1. 选取合适器材,确保实验可重复操作且变量单一;2. 固定支撑物间距,将A4纸折成不同形状搭建纸桥,逐次添加配重,记录纸接触桌面时的配重数量;3. 重复测试不同形状纸的承重情况,对比配重数量分析现象,最终得出形状与承重极限的关系。
【答案】
(1)一张A4纸、两个相同的书本(或等高支撑物)、若干相同硬币(或砝码)
(2)①将两书本放在水平桌面,间距固定(如10cm);②将A4纸平展置于两书本上,在纸中央逐枚放置硬币,记录纸接触桌面时的硬币数;③将A4纸分别折成瓦楞形、圆筒形、三角形柱体,重复步骤②;④比较不同形状时的硬币数。
(3)平展纸承受硬币数最少,瓦楞形、圆筒形等形状承受硬币数较多。
(4)纸的形状影响其承重极限,折叠成瓦楞形、圆筒形等形状能提高纸的承重能力。
【知识点】
控制变量法、结构承重影响因素
【点评】
该实验利用生活中常见器材设计,操作简便,通过控制变量法清晰探究纸的形状对承重能力的影响,有助于培养科学探究思维与动手实践能力,紧密联系生活实际,加深对结构特性的理解。
【难度系数】
0.6