【分析】
要解决这道题,我们需要结合控制变量法的思路逐步分析:
1. 首先明确实验核心是探究力的三要素(大小、方向、作用点)对力的作用效果的影响,控制变量法的关键是每次只改变一个要素,另外两个要素保持不变。
2. 针对图(b):与(a)对比探究力的大小的影响,所以要控制力的方向、作用点和(a)一致,仅改变大小,从形变程度看(b)形变更大,说明力更大,因此确定$F_{\mathrm{b}}$的方向向左、作用点在自由端,大小大于$F_{\mathrm{a}}$。
3. 针对图(c):与(a)对比探究力的方向的影响,要控制力的大小、作用点和(a)一致,仅改变方向,因此$F_{\mathrm{c}}$方向向右、作用点在自由端,大小等于$F_{\mathrm{a}}$。
4. 针对图(d):与(a)对比探究力的作用点的影响,要控制力的大小、方向和(a)一致,仅改变作用点,因此$F_{\mathrm{d}}$方向向左、作用点在靠近固定端位置,大小等于$F_{\mathrm{a}}$。
最后根据以上分析画出每个力的示意图,并明确大小关系。
【解析】
1. 图(b)的力与示意图:
根据控制变量法,探究力的大小对作用效果的影响,需保持力的方向(水平向左)、作用点(钢条自由端)与图(a)一致,仅改变力的大小。由于图(b)中钢条形变程度大于图(a),说明$ F_{\mathrm{b}} > F_{\mathrm{a}} $。
示意图:在钢条的自由端,画一条水平向左的带箭头线段,线段长度长于$ F_{\mathrm{a}} $的线段,标注$ F_{\mathrm{b}} $。
2. 图(c)的力与示意图:
探究力的方向对作用效果的影响,需保持力的大小、作用点与图(a)一致,仅改变力的方向。因此$ F_{\mathrm{c}} = F_{\mathrm{a}} $,方向为水平向右,作用点为钢条自由端。
示意图:在钢条的自由端,画一条水平向右的带箭头线段,线段长度与$ F_{\mathrm{a}} $的线段相等,标注$ F_{\mathrm{c}} $。
3. 图(d)的力与示意图:
探究力的作用点对作用效果的影响,需保持力的大小、方向与图(a)一致,仅改变作用点。因此$ F_{\mathrm{d}} = F_{\mathrm{a}} $,方向为水平向左,作用点为钢条靠近固定端的位置。
示意图:在钢条靠近固定端的位置,画一条水平向左的带箭头线段,线段长度与$ F_{\mathrm{a}} $的线段相等,标注$ F_{\mathrm{d}} $。
【答案】
图(b):$ F_{\mathrm{b}} $作用在钢条自由端,方向水平向左,$ F_{\mathrm{b}} > F_{\mathrm{a}} $(示意图:在钢条自由端画水平向左的带箭头线段,长度长于$ F_{\mathrm{a}} $的线段);
图(c):$ F_{\mathrm{c}} $作用在钢条自由端,方向水平向右,$ F_{\mathrm{c}} = F_{\mathrm{a}} $(示意图:在钢条自由端画水平向右的带箭头线段,长度与$ F_{\mathrm{a}} $的线段相等);
图(d):$ F_{\mathrm{d}} $作用在钢条靠近固定端位置,方向水平向左,$ F_{\mathrm{d}} = F_{\mathrm{a}} $(示意图:在钢条靠近固定端位置画水平向左的带箭头线段,长度与$ F_{\mathrm{a}} $的线段相等);
大小关系:$ \boldsymbol{F_{\mathrm{b}} > F_{\mathrm{a}}} $,$ \boldsymbol{F_{\mathrm{c}} = F_{\mathrm{a}}} $,$ \boldsymbol{F_{\mathrm{d}} = F_{\mathrm{a}}} $。
【知识点】
力的三要素、控制变量法、力的作用效果
【点评】
本题通过控制变量法探究力的三要素对力的作用效果的影响,重点考查对控制变量法的理解与应用,解题时需明确每次探究实验中不变的量和改变的量,准确对应力的三要素的影响。
【难度系数】
0.6