Question

用金屬制成的線材（如鋼絲、鋼筋）受到拉力會(huì)伸長(zhǎng)，十七世紀(jì)英國(guó)物理學(xué)家胡克發(fā)現(xiàn)，金屬絲或金屬桿在彈性限度內(nèi)的伸長(zhǎng)與拉力成正比，這就是著名的胡克定律．這一發(fā)現(xiàn)為后人對(duì)材料的研究奠定了重要基礎(chǔ)．現(xiàn)有一根用新材料制成的金屬桿，長(zhǎng)為4m，橫截面積為0.8cm²，設(shè)計(jì)要求它受到拉力后的伸長(zhǎng)不超過(guò)原長(zhǎng)的1/1000，由于這一拉力很大，桿又較長(zhǎng)，直接測(cè)試有困難，就選用同種材料制成樣品進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試，取得數(shù)據(jù)如下：

長(zhǎng)度L	拉力F伸長(zhǎng)x截面積S	250N	500N	750N	1000N
1m	0.05cm2	0.04cm	0.08cm	0.12cm	0.16cm
2m	0.05cm2	0.08cm	0.16cm	0.24cm	0.32cm
3m	0.05cm2	0.12cm	0.24cm	0.36cm	0.48cm
1m	0.10cm2	0.02cm	0.04cm	0.06cm	0.08cm
1m	0.20cm2	0.01cm	0.02cm	0.03cm	0.04cm

（1）根據(jù)測(cè)試結(jié)果，推導(dǎo)出線材伸長(zhǎng)x與材料的長(zhǎng)度L、材料的截面積S及拉力F的函數(shù)關(guān)系．
（2）在尋找上述關(guān)系中，你運(yùn)用了哪種科學(xué)方法？
（3）通過(guò)對(duì)樣品的測(cè)試，求出新材料制成的金屬細(xì)桿能承受的最大拉力．

Answer 1

分析：由題可知伸長(zhǎng)量x與樣品的長(zhǎng)度、橫截面積、所受拉力都有關(guān)系，涉及的變量較多，因此采用“控制變量法”來(lái)確定它們之間的正、反比關(guān)系，然后將各種情況進(jìn)行匯總，再運(yùn)用比值定義法初步確定這幾個(gè)量之間的數(shù)量關(guān)系，然后根據(jù)所得公式來(lái)判斷樣品能承受的最大拉力，以及與什么因素有關(guān)．

解答：解：（1）由表格中的數(shù)據(jù)可得
當(dāng)金屬材料的截面積S、拉力F不變時(shí)，金屬材料伸長(zhǎng)量x與長(zhǎng)度L成正比，即x∝L；
當(dāng)金屬材料的截面積S、長(zhǎng)度L不變時(shí)，金屬材料伸長(zhǎng)量x與拉力F成正比，即x∝F；
當(dāng)金屬材料的長(zhǎng)度L、拉力F不變時(shí)，金屬材料伸長(zhǎng)量x與截面積S成反比，即x∝

1

S

．
綜上所述，有x∝

FL

S

設(shè)比例系數(shù)為k，則所求的線材伸長(zhǎng)量x滿足的關(guān)系是x=k

FL

S

取L=1m，S=0.05cm²=5×10^-6m²，F(xiàn)=250N，x=0.04cm=4×10^-4m
代入上式得k=8×10^-12m²/N．       
所以x=8×10^-12×

FL

S

                          
（2）在尋找上述關(guān)系中，先運(yùn)用了控制變量法：找伸長(zhǎng)量x與某一個(gè)量的關(guān)系時(shí)先控制其他物理量不變；而后運(yùn)用了歸納法，總結(jié)出最后的結(jié)論．              
（3）對(duì)新材料制成的金屬細(xì)桿，長(zhǎng)度L=4m，截面積S=0.8cm²=8×10^-5m²，
最大伸長(zhǎng)量x=

4

1000

m=4×10-3m代入導(dǎo)出的公式x=k

FL

S

有    
金屬細(xì)桿承受的最大拉力是10000N．
答：（1）線材伸長(zhǎng)x與材料的長(zhǎng)度L、材料的截面積S及拉力F的函數(shù)關(guān)系是x=8×10^-12×

FL

S

．
（2）在尋找上述關(guān)系中，運(yùn)用了控制變量法．
（3）通過(guò)對(duì)樣品的測(cè)試，新材料制成的金屬細(xì)桿能承受的最大拉力是10000N．

點(diǎn)評(píng)：本題的難度很大，題中共涉及4個(gè)變量，在解題過(guò)程中，綜合應(yīng)用了控制變量法、歸納法、比值定義法來(lái)進(jìn)行分析、解答，對(duì)同學(xué)的綜合素質(zhì)要求很高，是一道考查能力的好題．