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【分析】
要探究人站在地面和行走时对地面的压强是否相同,首先回忆压强的计算公式$p=\frac{F}{S}$,压强由压力和受力面积共同决定。人站在水平地面和行走时,对地面的压力都等于自身重力,因此压力$F$是相等的。接下来分析受力面积:站立时双脚与地面接触,行走时单脚与地面接触(交替),行走时的受力面积更小。根据公式,当$F$不变时,$S$越小,压强$p$越大,所以可猜想:人在水平地面行走时对地面的压强大于站立时的压强。
实验设计需用到控制变量法(控制压力相同)和转换法(通过海绵凹陷程度反映压强大小),步骤要清晰,通过对比两种情况下海绵的凹陷程度来验证猜想。
【解析】
猜想:
人在水平地面上行走时对地面的压强大于站立时对地面的压强。
实验方案:
1. 实验器材:一块海绵(或易形变的泡沫板)、体重计(可选,用于确认压力相同)。
2. 实验步骤:
(1)将海绵平放在水平地面上;
(2)人双脚平稳站立在海绵上,观察并记录海绵的凹陷程度;
(3)保持人在海绵上方,缓慢在海绵上行走,观察并记录行走时海绵的凹陷程度;
(4)对比两次海绵的凹陷程度。
3. 现象与结论:
若行走时海绵的凹陷程度比站立时更深,说明行走时人对地面的压强大于站立时的压强,猜想正确;若凹陷程度相同,则压强相同,猜想错误。
【答案】
猜想:人在水平地面上行走时对地面的压强大于站立时对地面的压强。
实验方案:
1. 器材:海绵、体重计(可选);
2. 步骤:①把海绵放在水平地面上;②人双脚站立在海绵上,观察海绵凹陷程度;③人在海绵上行走,观察海绵凹陷程度;④对比两次凹陷程度;
3. 结论:若行走时海绵凹陷更深,则行走时压强更大,猜想成立;否则猜想不成立。
【知识点】
压强的影响因素、转换法、控制变量法
【点评】
本题考查压强公式的应用及实验探究能力,通过贴近生活的情境,引导学生运用控制变量法和转换法设计实验,帮助学生理解压强与受力面积的关系,提升解决实际问题的能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
(1)要判断哪块纸板先被抬起,需比较两块纸板对塑料袋的压强大小。压强越小,塑料袋内气压越容易达到该压强值,纸板就越先被抬起。根据压强公式$p=\frac{F}{S}$,结合纸板面积关系和压力关系计算压强;
(2)要使两块纸板同时被抬起,需保证两块纸板对塑料袋的压强相等,结合面积关系,利用压强公式推导硬币数目的关系。
【解析】
(1)设小纸板的边长为$a$,则大纸板的边长为$2a$,小纸板的面积$ S_{小}=a^2 $,大纸板的面积$ S_{大}=(2a)^2=4a^2=4S_{小} $。
设一个硬币的重力为$G$,大纸板对塑料袋的压力$ F_{大}=2G $,小纸板对塑料袋的压力$ F_{小}=G $。
计算两块纸板对塑料袋的压强:
大纸板的压强:$ p_{大}=\frac{F_{大}}{S_{大}}=\frac{2G}{4S_{小}}=\frac{G}{2S_{小}} $
小纸板的压强:$ p_{小}=\frac{F_{小}}{S_{小}}=\frac{G}{S_{小}} $
因为$ p_{大}<p_{小} $,当向塑料袋内吹气时,塑料袋内气压逐渐增大,当内部气压产生的向上的压强等于大纸板的向下压强时,大纸板先被抬起,因此大纸板会先被塑料袋“抬”起来,可通过实验验证该结论。
(2)设大纸板上硬币数目为$ n_{1} $,小纸板上硬币数目为$ n_{2} $,要使两块纸板同时被抬起,需两块纸板对塑料袋的压强相等,即:
$ \frac{n_{1}G}{S_{大}}=\frac{n_{2}G}{S_{小}} $
将$ S_{大}=4S_{小} $代入上式,约去$G$和$ S_{小} $得:
$ \frac{n_{1}}{4}=n_{2} $,即$ n_{1}=4n_{2} $
所以当大纸板上的硬币数目是小纸板上硬币数目的4倍时,两块纸板会同时被举高。
【答案】
(1)大纸板会先被塑料袋“抬”起来,实验可验证该结论;
(2)大纸板上的硬币数目是小纸板上硬币数目的4倍($ n_{1}=4n_{2} $)。
【知识点】
压强大小比较,压强公式应用
【点评】
本题通过趣味实验考查压强的计算与比较,关键是明确压强的影响因素,利用压强公式结合面积关系分析问题,注重理论与实验结合,培养科学探究能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
要计算质地均匀的长方体对水平地面的压强,我们可以从压强的基本公式入手:首先,水平地面上的物体对地面的压力等于自身重力,所以先通过重力公式、密度公式推导压力的表达式;再确定物体与地面的接触面积(即底面积);最后将压力和受力面积代入压强公式,化简后得到柱形物体对地面压强的特殊公式。同时要理解该特殊公式的适用条件,也可对比通用压强计算方法。
【解析】
1. 确定压力:
因为长方体放在水平地面上,所以对地面的压力等于自身重力,即
$F = G$
2. 推导重力的表达式:
根据重力公式$G=mg$,结合密度公式$m=\rho V$,长方体的体积$V = abh$,因此:
$G = mg = \rho Vg = \rho abhg$
所以$F = \rho abhg$
3. 确定受力面积:
长方体与水平地面的接触面积为底面积,即$S = ab$
4. 计算压强:
将$F$和$S$代入压强公式$p = \frac{F}{S}$,可得:
$p = \frac{\rho abhg}{ab} = \rho gh$
通用计算方法:先测量物体的重力$G$(即对地面的压力$F=G$),再测量物体与地面的接触面积$S$,直接用$p=\frac{F}{S}$计算压强。
【答案】
方法一:利用特殊公式,质地均匀的长方体对水平地面的压强为$\boldsymbol{p=\rho gh}$;
方法二:利用通用压强公式,先测物体重力$G$($F=G$)和接触面积$S$,再通过$\boldsymbol{p=\frac{F}{S}}$计算压强。
【知识点】
柱体压强计算
压强公式推导
压力与重力的关系
【点评】
本题通过长方体推导得出柱形物体对水平地面的特殊压强公式,既整合了密度、重力、压强的基础公式,又简化了柱形物体压强的计算过程。需注意特殊公式的适用条件:质地均匀的柱形物体、放置在水平地面上。同时对比两种计算方法,可根据已知条件灵活选择。
【难度系数】
0.6