Question

3．老師課堂上進行如圖甲所示實驗，取兩個粗細相差很小的試管，大試管里裝滿水，把小試管底朝下放到大試管里，再把裝好的試管倒過來，就會看到大試管里的水徐徐流出，同時小試管自動上升到大試管頂部．
可探究小組在實驗中卻發(fā)現小試管有時上升、有時停止不動、有時不但不上升反而下降．是什么原因導致實驗現象不同呢？

小試管伸入大試管深度h（厘米）	1	2	3	4	5	6
小試管狀態(tài)	下降	下降	下降	不動	上升	上升

（1）小科嘗試將小試管伸入大試管不同深度進行圖乙實驗，并將實驗結果記錄在右上表：該實驗基于的假設是小試管運動狀態(tài)與小試管伸入大試管深度有什么關系．
（2）查閱資料：根據受力分析，小試管靜止不動時受到大試管內水對它向下的壓力與小試管自身重力之和，剛好與小試管受到大氣壓對它向上的壓力相等．即（P₀-ρgh）S+mg=P₀S．（大氣壓為P₀，水的密度ρ，小試管質量m，小試管底部面積S）．
結合上述信息推測，如果周圍大氣壓減小，要使上述圖乙中小試管能上升，小試管伸入大試管的深度應等于 5厘米（選填“大于”“等于”或“小于”）．
（3）小兵想在小科實驗基礎上探究小試管的升降與小試管質量是否有關，簡要寫出小兵的實驗設計選用與大試管粗細相差很小的試管，控制小試管底部面積S相同而質量不同（即材料不同的試管），
將小試管伸入大試管深度分別為1厘米、2厘米、3厘米、4厘米、5厘米、6厘米、----，觀察小試管的運動狀態(tài)．．

Answer 1

分析 （1）根據題目條件，在其它條件不變時，只改變小試管伸入大試管深度的深度，發(fā)現小試管有時上升、有時停止不動、有時不但不上升反而下降，據此回答；
（2）根據（P₀-ρgh）S+mg=P₀S判斷決定小試管運動狀態(tài)的小試管伸入大試管深度；
（3）根據控制變量法，研究小試管的升降與小試管質量是否有關，要控制小試管的底部面積S及水的密度不變，只改變小試管的質量．

解答 （1）小科嘗試將小試管伸入大試管不同深度進行圖乙實驗，并將實驗結果記錄在右上表：該實驗基于的假設是：小試管運動狀態(tài)與小試管伸入大試管深度有什么關系
（2）對小試管受力情況如下圖所示：小試管受到三個力，自身重力G、水向下的壓力F，大氣壓向上的壓力F₀；

小試管剛好能沿大試管內壁向上移動時受力平衡，則：F₀=G+F，
小試管受到水的壓強：p_水=p₀-ρgh，
小試管受到水的壓力：F=p_水S=（p₀-ρgh）S，
所以，p₀S=mg+（p₀-ρgh）S，
解得：h=$\frac{m}{ρS}$，小試管受力平衡，剛好不動；
當h＞$\frac{m}{ρS}$時------①，此時，p₀S＞G+（p₀-ρgh）S，小試管向上移動；
由①知，上升的高度h只與試管質量、水的密度和試管的底部面積S有關，而與外界大氣壓大小無關，故如果周圍大氣壓減小，要使上述圖乙中小試管能上升，小試管伸入大試管的深度應等于5厘米；
（3）根據控制變量法，研究小試管的升降與小試管質量是否有關，要控制小試管的底部面積S及水的密度不變，只改變小試管的質量，故選用與大試管粗細相差很小的試管，控制小試管底部面積S相同而質量不同（即材料不同的試管），將小試管伸入大試管深度分別為1厘米、2厘米、3厘米、4厘米、5厘米、6厘米、----，觀察小試管的運動狀態(tài)．
故答案為：（1）小試管運動狀態(tài)與小試管伸入大試管深度有什么關系；（2）等于；（3）選用與大試管粗細相差很小的試管，控制小試管底部面積S相同而質量不同（即材料不同的試管），將小試管伸入大試管深度分別為1厘米、2厘米、3厘米、4厘米、5厘米、6厘米、----，觀察小試管的運動狀態(tài)．

點評 本題考查力平衡、壓強知識及控制變量法的運用和設計實驗方案的能力．