Question

3．老師課堂上進(jìn)行如圖甲所示實驗，取兩個粗細(xì)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(xiàn)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?qū)е聦嶒灛F(xiàn)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(jìn)行圖乙實驗，并將實驗結(jié)果記錄在右上表：該實驗基于的假設(shè)是小試管運(yùn)動狀態(tài)與小試管伸入大試管深度有什么關(guān)系．
（2）查閱資料：根據(jù)受力分析，小試管靜止不動時受到大試管內(nèi)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(zhì)量m，小試管底部面積S）．
結(jié)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(yīng)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(chǔ)上探究小試管的升降與小試管質(zhì)量是否有關(guān)，簡要寫出小兵的實驗設(shè)計選用與大試管粗細(xì)相差很小的試管，控制小試管底部面積S相同而質(zhì)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(yùn)動狀態(tài)．．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)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(xiàn)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(jù)此回答；
（2）根據(jù)（P₀-ρgh）S+mg=P₀S判斷決定小試管運(yùn)動狀態(tài)的小試管伸入大試管深度；
（3）根據(jù)控制變量法，研究小試管的升降與小試管質(zhì)量是否有關(guān)，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(zhì)量．

解答 （1）小科嘗試將小試管伸入大試管不同深度進(jìn)行圖乙實驗，并將實驗結(jié)果記錄在右上表：該實驗基于的假設(shè)是：小試管運(yùn)動狀態(tài)與小試管伸入大試管深度有什么關(guān)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(nèi)壁向上移動時受力平衡，則：F₀=G+F，
小試管受到水的壓強(qiáng)：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(dāng)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(zhì)量、水的密度和試管的底部面積S有關(guān)，而與外界大氣壓大小無關(guān)，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(yīng)等于5厘米；
（3）根據(jù)控制變量法，研究小試管的升降與小試管質(zhì)量是否有關(guān)，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(zhì)量，故選用與大試管粗細(xì)相差很小的試管，控制小試管底部面積S相同而質(zhì)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(yùn)動狀態(tài)．
故答案為：（1）小試管運(yùn)動狀態(tài)與小試管伸入大試管深度有什么關(guān)系；（2）等于；（3）選用與大試管粗細(xì)相差很小的試管，控制小試管底部面積S相同而質(zhì)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(yùn)動狀態(tài)．

點(diǎn)評 本題考查力平衡、壓強(qiáng)知識及控制變量法的運(yùn)用和設(shè)計實驗方案的能力．