專題三 物理儀器原理探究（原卷版）

專題三物理儀器原理探究[考點(diǎn)導(dǎo)航]密度計(jì)??浮力秤??杠桿平衡??[密度計(jì)]某學(xué)?？茖W(xué)社團(tuán)布置學(xué)習(xí)小組制作密度計(jì)，制作步驟如下：①取一根粗細(xì)均勻，橫截面積為S的飲料吸管，在其下端塞入適量金屬絲并用石蠟封口。②將吸管放到水中的情景如圖甲所示，測得浸入的長度為H；放到另一液體中的情景如圖乙所示，浸入的長度為h。則經(jīng)過推導(dǎo)分析，ρ液＝（ρ水、h、H表達(dá)）。實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345液體密度ρ/g?cm﹣30.80.91.01.11.25浸入深度h/（cm）6.35.654.54學(xué)習(xí)小組做了5次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表。根據(jù)圖甲在吸管上標(biāo)出1.0刻度線（單位g/cm3，下同），再根據(jù)其余數(shù)據(jù)標(biāo)出了0.8、0.9、1.1的刻度線（圖中未畫出）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1.1刻線是在1.0刻線的（填“上”或“下”）方，相鄰刻度間距（填“均勻”或“不均勻”）。為檢驗(yàn)刻度誤差，學(xué)習(xí)小組取來食用油，先用天平和量筒測量其密度，然后再用這個(gè)密度計(jì)測量密度，但操作時(shí)卻出現(xiàn)如圖丙所示的情形，在不更換食油的情況下，你認(rèn)為小明可以進(jìn)行怎樣的嘗試：。常用的密度計(jì)使用時(shí)需要較多待測液體（如圖甲）。小明設(shè)計(jì)了一臺只需少量待測液體就能直接測量其密度大小的簡易密度儀（如圖乙）。其工作原理為：桶中無液體時(shí)，滑片P指向A處；測量時(shí)，將待測液體加滿小桶，裝有滑輪和滑片P的滑塊向下移動x，彈簧彈力增加F，待滑塊穩(wěn)定后閉合開關(guān)S，就能從已標(biāo)注相應(yīng)密度值的電流表刻度盤上讀出待測液體密度。電源電壓U0恒為6V，定值電阻R0的阻值為12Ω，電流表量程為0～0.6A，小桶的容積為10cm3，粗細(xì)均勻的電阻絲AB總長為20cm，其阻值隨長度變化如表。F與x的關(guān)系如圖丙所示。（不計(jì)摩擦，桶距底座高度足夠）。電阻絲的長度（厘米）05101520電阻絲的阻值（歐姆）010203040（1）閉合開關(guān)S，滑片P在A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)，電流表示數(shù)分別為Ia、Ib，則Ia、Ib的大小關(guān)系是。（2）某次測量時(shí)，電流表示數(shù)為0.2安，則所測液體密度為多少g/cm3？（3）為了方便在電流表的表盤上標(biāo)注對應(yīng)的密度值，需根據(jù)上述信息，分析密度ρ與電流I的關(guān)系式：ρ＝。小寧用電子密度計(jì)測量鹽水的密度。電子密度計(jì)主要由玻璃砝碼、掛鉤、測量支架等組成。測質(zhì)量時(shí)，示數(shù)由測量支架所受的拉力大小決定。步驟1：如圖（a）中顯示的20.00g表明是質(zhì)量為20.00g的砝碼對支架產(chǎn)生的拉力。步驟2：如圖（b）所示，將玻璃砝碼浸沒在純凈水中，示數(shù)變小，此時(shí)測量支架所受拉力相當(dāng)于11.00g的物體所產(chǎn)生的拉力，按下“密度”鍵后，電子密度計(jì)能依據(jù)阿基米德原理換算出純凈水的密度為0.99g/cm3，如圖（c）所示。步驟3：提起玻璃砝碼并擦干，再浸沒在待測鹽水溶液中，示數(shù)變?yōu)?.00g，如圖（d）所示。（1）玻璃砝碼在步驟2所受的浮力F1步驟3中所受的浮力F2（填“大于”“小于”或“等于”）（2）通過實(shí)驗(yàn)測得，該鹽水的密度最接近于g/cm3。[浮力秤]一顆黃豆質(zhì)量為多大（大約在0.1克～1克之間），實(shí)驗(yàn)室學(xué)生天平的最小刻度是0.2克，不夠精確，老師布置各項(xiàng)目組制作一個(gè)浮力秤將一粒黃豆的質(zhì)量測出來，精確度越高越好?！卷?xiàng)目任務(wù)】制作高精度浮力秤【提供材料】大燒杯、水、紙質(zhì)小托盤、剪刀、橡皮泥、鐵釘、刻度尺、記號筆、雙面膠、質(zhì)量1g的小鐵塊，吸管（規(guī)格A：較細(xì)的普通飲料吸管；規(guī)格B：較粗的奶茶吸管）?！局谱鬟^程】①選擇輕質(zhì)的塑料吸管，剪取筆直的20cm一段，上端貼上紙質(zhì)小托盤。②在吸管下端插入鐵釘，用橡皮泥塞緊吸管與鐵釘縫隙進(jìn)行固定和密封。③燒杯中倒入水，將制作完成的吸管下端放入水中，讓吸管漂浮在水面上，如圖。④對吸管標(biāo)記刻度。a.在小托盤放上1g小砝碼，漂浮穩(wěn)定后，在水面與吸管相交處標(biāo)1g。b.將吸管底部與1g的標(biāo)記間進(jìn)行10等分。⑤測量一粒黃豆質(zhì)量。（1）步驟②中吸管中插入鐵釘并密封的好處是。（2）項(xiàng)目組內(nèi)有同學(xué)認(rèn)為刻度標(biāo)記的方法錯(cuò)誤，他覺得吸管底部不是0刻度的位置，應(yīng)重新標(biāo)記0刻度，再將0和1g之間10等分。標(biāo)記0刻度的方法是。（3）為提高浮力秤的精確度，小組提出的以下改進(jìn)措施中可行的是。A.用直徑更小的吸管B.增大吸管中鐵釘?shù)馁|(zhì)量C.燒杯中換用密度更小的液體D.燒杯中換用密度更大的液體小龍同學(xué)在探究浮力的大小與哪些因素有關(guān)時(shí)，他提出了如下猜想：猜想1：浮力大小與物體排開液體的體積有關(guān)猜想2：浮力大小與液體的密度有關(guān)猜想3：浮力大小與物體浸沒在液體中的深度有關(guān)為驗(yàn)證猜想：他利用彈簧測力計(jì)掛圓柱形物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖中的圖線a為彈簧測力計(jì)的示數(shù)F與物體下表面浸入水中深度h的關(guān)系圖像。（1）由圖乙圖線a可知浮力與有關(guān)，物體浸沒在水中后，所受的浮力大小為N。（2）為了驗(yàn)證浮力大小與液體的密度的關(guān)系，他將水換成酒精（ρ酒精＝0.8g/cm3）重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，請你在圖乙中畫出物體在酒精中彈簧測力計(jì)的示數(shù)F與物體下表面浸入酒精中深度h的關(guān)系大致圖像。（3）圖丙的浮力秤是利用物體漂浮時(shí)F＝G原理工作的。當(dāng)秤盤放上物體時(shí)，小筒浸在水中的深度為h，小筒重（包括秤盤）為G0、圓柱形小筒截面積為S，水的密度為ρ，則所稱物體的重力為（用字母表示）。小明利用浮力知識制作了一臺浮力秤，可方便地稱量物體的質(zhì)量，其構(gòu)造如圖甲所示。已知小筒底面積為10cm2，管子的長度為15cm，為了防止沉沒或浸水，此秤浸入水中的深度不超過12cm，小筒和秤盤總重為0.6牛。（1）如圖甲，當(dāng)秤盤上不放物體時(shí)，小筒受到的浮力是牛；應(yīng)在小筒A處標(biāo)出該浮力秤的刻度；（2）如圖乙，在秤盤上放一物體后，小筒浸入水中的深度h為10cm，則該物體的質(zhì)量為多少？（3）通過分析，試著畫出所測物體的質(zhì)量m與浸入的深度h的關(guān)系圖。（4）為了增大此浮力秤的測量范圍，可采用的方法哪些方法？[杠桿平衡]一扇矩形窗戶，重為60N（設(shè)重力作用在幾何中心），高0.9米，寬0.4米，靠鉸鏈A和B固定在窗戶框架上，并可以繞AB形成的豎直軸線轉(zhuǎn)動，其中AB＝0.6米。（1）在圖中畫出A處窗戶所受鉸鏈的水平作用力F的示意圖；（2）計(jì)算上述力的大?。ㄒ笤趫D中畫出相關(guān)力的力臂）。如圖所示大李和小李用一根均勻的木棒抬重物。對于大李來說，這是一個(gè)（選填“省力、費(fèi)力、等臂”）杠桿。其他條件不變的情況下，為了減輕自己的負(fù)擔(dān)，大李的位置可以向（選填“前、后“）移動；假如大李要承擔(dān)五分之三的力，那么，小李的肩頭到重物掛點(diǎn)O的距離與小李的肩頭到大李肩頭的距離之比是。安全閥常作為超壓保護(hù)裝置。如圖是利用杠桿原理設(shè)計(jì)的鍋爐安全閥示意圖，閥的橫截面積S為6cm2，OA：AB＝1：2，若鍋爐能承受的最大壓強(qiáng)為5.81×105帕，大氣壓強(qiáng)為1.01×105帕，則在B處應(yīng)掛牛的重物。若鍋爐承受的最大壓強(qiáng)減小，為保證鍋爐安全，應(yīng)將重物向（選“左”或“右”）移動。如圖甲所示是生活中常見的壁燈，圖乙是根據(jù)壁燈建立的杠桿模型。查閱壁燈說明書，得知壁燈與支架總質(zhì)量為6.0千克，B為支架ADC上一點(diǎn)，測得壁燈與支架總重力的作用線經(jīng)過B點(diǎn)，BD＝35厘米，DA＝30厘米，DC＝40厘米，DC垂直于AD。（1）若以D點(diǎn)為支點(diǎn)，請計(jì)算上方螺絲釘A受到墻面垂直的力F有多大？（2）若在安裝壁燈時(shí)需要使壁燈繞A點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，請畫圖施加的最小動力F1，并計(jì)算至少為多大？

[猜押題專練]一．填空題（共5小題）1．有一質(zhì)量m＝0.1kg，容積V＝1×10﹣3m3，橫截面積S＝2.5×10﹣3m2的圓筒形薄壁容器B（壁厚忽略不計(jì)），現(xiàn)注入體積為13V的某種液體A后，將其封閉放入水中，且保持豎直漂浮狀態(tài)，如圖甲所示，此時(shí)水對容器底部的壓強(qiáng)p＝2.8×103（1）液體A的密度；（2）若要使容器B恰好豎直懸浮在水中（如圖乙所示）注入液體A的體積是多少？2．學(xué)習(xí)了杠桿知識后，小金自制了一個(gè)桿秤，如圖。秤桿、秤鉤及秤紐的總質(zhì)量為0.05千克，秤砣的質(zhì)量為0.1千克，秤鉤懸掛處A與秤紐O間的距離為4厘米。（1）已知秤桿、秤鉤及秤紐組成的系統(tǒng)重心在O點(diǎn)。掛上重物后，將秤砣移至距O點(diǎn)16厘米的B處時(shí)，秤桿恰好處于水平平衡，則所掛重物為千克。手提秤紐O的拉力為牛頓；（2）稱完以后，小金發(fā)現(xiàn)使用的秤砣生銹了，則稱得的質(zhì)量（選填“偏大”“偏小”或“不變”）。3．小亮利用輕質(zhì)木條和透明塑料桶等器材制作了如圖所示的測量密度的秤。只要把一定體積的待測液體倒入小桶中，就能通過移動秤砣的位置，從木條的刻度讀出液體的密度值。（1）若木條上A、B、C中有一點(diǎn)是零刻度，應(yīng)該是點(diǎn)。（2）該秤的刻度是（選填“均勻”或“不均勻”）的。（3）若讓秤砣位置不變，仍可用該秤測量液體的密度，則應(yīng)把刻度標(biāo)在塑料桶壁上，該刻度（選填“上”或“下”）邊的數(shù)值大。4．如圖甲，有一輕質(zhì)桿，左右各掛質(zhì)量分別為300克和100克的實(shí)心銅塊后恰好水平平衡，則左右懸掛點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離之比為。將兩實(shí)心銅塊分別浸沒于水中（如圖乙），桿將會（填“左端下降”“右端下降”或“仍然平衡”）。5．小金用輕質(zhì)木棒、小桶（容積100mL）等器材，制作了一個(gè)“密度秤”（如圖所示）。已知AO＝10cm，秤砣質(zhì)量為100g，桶內(nèi)不裝任何液體時(shí)，移動秤砣到B處，秤桿恰好處于平衡狀態(tài)，請回答下列問題：（1）若OA＞OB，秤砣的質(zhì)量小桶的質(zhì)量（填“＞”、“＜”或“＝”）；（2）該秤的刻度是（選填“均勻”或“不均勻”）的；（3）當(dāng)小金向桶內(nèi)裝滿某種液體后，需將秤砣向右移動8cm，秤桿再次達(dá)到平衡狀態(tài)，則該液體的密度為kg/m3。二．實(shí)驗(yàn)探究題（共3小題）6．某項(xiàng)目化學(xué)習(xí)小組同學(xué)制作“浮漂器”，成功地驗(yàn)證了阿基米德定律。選取溢水杯、泡沫塊、托盤和粗鐵絲、細(xì)鐵絲等材料制作成“浮漂器”?！案∑鳌钡闹螚U由粗鐵絲制成，下托盤由細(xì)鐵絲制成。①將“浮漂器”置于裝有適量水的溢水杯，取一小石塊放在上托盤，在支撐桿上標(biāo)出水位刻度線。②將小石塊改放在下托盤，往上托盤加砝碼，同時(shí)用空燒杯接收溢出的水，直到水位刻度線與水面相平。③取下砝碼，把燒杯中的水全部倒入上托盤。由步驟①②得出石塊所受浮力F?。紾砝碼，由步驟②③得出燒杯中水的重力G排＝G砝碼。因此，F(xiàn)?。紾排，即石塊所受浮力等于其所排開的水受到的重力，從而驗(yàn)證了阿基米德原理。（1）泡沫塊是制作“浮漂器”的關(guān)鍵要素之一。確定泡沫塊高度，應(yīng)考慮的因素有。（可多選）A．支撐桿的高度B．托盤的質(zhì)量C．溢水杯的質(zhì)量D．泡沫塊的密度E．液體的密度（2）步驟①中將“浮漂器”置于溢水杯，判斷杯中水為“適量”的依據(jù)是。（3）分析步驟②③，該組同學(xué)得出結(jié)論：燒杯中所收集水的重力等于砝碼的總重力，即G排＝G砝碼。推測其觀察到的現(xiàn)象為。（4）有同學(xué)認(rèn)為，往上托盤“加砝碼”的操作存在缺陷，改進(jìn)方法有（寫出一種）。7．學(xué)習(xí)了浮力知識后，小金用表面貼有白紙的木板、彈簧、金屬塊、細(xì)線等制作了一個(gè)液體密度計(jì)。彈簧下端掛上金屬塊，指針靜止時(shí)的位置標(biāo)為A；將金屬塊浸沒在水中而不接觸容器，指針靜止時(shí)的位置B處標(biāo)記為1.0；將金屬塊浸沒于密度為0.8g/cm3的酒精中而不接觸容器，在指針靜止時(shí)的位置C處標(biāo)記為0.8。（1）C處應(yīng)在B處的（選填“上方”或“下方”）。（2）B與C的中點(diǎn)處應(yīng)標(biāo)注的值（選填“＜”“＞”或“＝”）0.9。（3）標(biāo)記完刻度后發(fā)現(xiàn)刻度A與B之間的距離較小，為了增大最小刻度之間的距離，可采取的做法是（寫出一種即可）。8．密度計(jì)的刻度為什么是不均勻的呢？小科觀察常見密度計(jì)外形如圖甲，提出了猜想：可能是玻璃管粗細(xì)不均勻引起的。為了驗(yàn)證猜想，他做了一支粗細(xì)均勻，兩端封閉的玻璃管，內(nèi)部裝了鉛丸，如圖乙。并配制了幾種密度不同的溶液。（1）將玻璃管放入溶液后出現(xiàn)了如圖丙情況。接下去小科該進(jìn)行的操作是（填字母）。A．把玻璃管向上拉，使下端脫離容器底部B．繼續(xù)加溶液使玻璃管底部脫離容器底部（2）通過正確方法讓玻璃管離開容器底部，用不同密度溶液實(shí)驗(yàn)，得到表中數(shù)據(jù)。橫截面積（cm2）0.5液體密度（g/cm3）11.52玻璃管下端到液面距離（cm）643①該玻璃管質(zhì)量為。②根據(jù)實(shí)驗(yàn)，小科的猜想是（填“正確”或“錯(cuò)誤”）的。三．計(jì)算題（共2小題）9．“曹沖稱象”是家喻戶曉的典故。某校興趣小組模仿這一現(xiàn)象，制作了一把“浮力秤”。將直筒形的玻璃杯浸入水中，如圖所示。已知玻璃杯的質(zhì)量為100g，底面積為20cm2，高度為30cm。求：（1）將杯子開口向上豎直放入水中時(shí)（注：水未進(jìn)入杯內(nèi)），求杯子受到的浮力。（2）求此浮力秤的最大稱量（即玻璃杯中所放物體的最大質(zhì)量）。（已知ρ水＝1.0×103千克/米3，g取10牛/千克）10．如圖甲是小明同學(xué)制作的航標(biāo)燈模型，其中A為圓柱形泡沫塑料浮筒，上部安裝航標(biāo)燈，固定在容器底部的滑輪通過細(xì)繩將浮子B與浮筒A的底部相連。當(dāng)容器中水位發(fā)生改變時(shí)，浮筒A就會隨水位升降，從而通過航標(biāo)燈起到指示效果。（1）當(dāng)容器中水位升高時(shí)，浮筒A底部受到液體壓強(qiáng)如何變化？。（2）已知浮筒A與航標(biāo)燈總重GA＝4牛，浮筒A底面積S＝100厘米2，浮子B重力GB＝0.5牛，當(dāng)浮筒A靜止于水面時(shí)其底面浸入水中的深度h＝5厘米，求浮子B的受到的浮力（細(xì)繩的質(zhì)量、滑輪重及細(xì)繩與滑輪間的摩擦均忽略不計(jì)）。（3）小明發(fā)現(xiàn)在調(diào)試過程中，當(dāng)浮筒