初中物理能源与可持续发展实验题

2007年2月28日，从乌鲁木齐驶往阿克苏的5806次列车遭遇特大沙尘暴，列车从第1节车厢到第11节车厢相继被吹翻。看了这个报道后，某研究小组为探索沙尘暴的威力，进行了模拟研究。如图为测定沙尘暴风力的实验装置图，其中AB是一段水平放置的长为L的光滑均匀电阻丝，电阻丝阻值较大，一质量和电阻都不计的细长金属丝一端固定于O点，另一端悬挂球P，无风时细金属丝竖直，恰与电阻丝在B点接触，有风时细金属丝将偏离竖直方向，细金属丝与电阻丝始终保持良好的导电接触。研究小组的同学对此装置分析中，知道金属球单位面积上所受到的水平风力大小与电压表的读数成正比，空气密度为1.3kg/m³，沙的密度为2.5×10³kg/m³。他们对决定金属球单位面积上所受到的风力大小的因素，进行了如下的实验研究：

①在含沙量相同条件下，改变风速，记录不同风速下电压表的示数如下：

风速（m/s）	5	10	15	20
电压表示数（V）	0.6	2.4	5.4	9.6

②在风速大小相同条件下，改变风中空气的含沙量，记录不同含沙量下电压表的示数如下：

含沙量（kg/m^3）	1.1	2.2	3.3	4.4
电压表示数（V）	2.3	3.5	4.6	5.8

（1）根据上述实验结果，试推导出单位面积上所受到的风力大小的关系式？（设比例系数为k）
（2）若（1）中的比例系数k的大小为0.5，已知：车厢的高度为3m，车厢的长度为25m，车厢质量为50t，铁轨间距为1.5m，1m³沙尘暴中含沙尘2.7kg，请根据（1）中的关系式计算当时的风速至少为多大？

在量筒内注入适量的水，将一木块放入水中，水面达到的刻度是V1，如图（a）所示；再将一金属块投入水中，水面达到的刻度是V2，如图（b）所示；若将金属块放在木块上，木块恰好没入水中，这时水面达到的刻度是V3．如图（c）所示．金属密度＝________．
  
（a）   （b）    （c）

为了探究物体的浮沉条件，实验室提供了如下器材：弹簧测力计、量筒、烧杯、金属块、木块、细线、水及其他简单辅助器材．

第一小组：探究金属块的下沉条件．实验中，他们用两种方法测量了物体受到的浮力：
方法1：称重法．测量过程及示数如图（甲）所示，则金属块所受的浮力为      N．
方法2：阿基米德原理法．测量过程与示数如图（乙）所示，则排开水的体积为      mL，根据F_浮=G_排=ρ_水V_排g可计算出浮力．
第二小组：探究木块上浮的条件．要测量木块浸没时的浮力，你准备选用上述两方法中的方法      （选填“1”或“2”），并简要说明操作中还应采取的措施：      ．

很多同学都喜欢玩橡皮泥，是因为橡皮泥容易捏成各种形状，小萍和小琴想知道橡皮泥的密度到底有多大，她们决定去实验室测一下．实验室老师给她们提供了以下器材：天平（含砝码）、量筒、量杯、水等．
（1）小萍的方案：利用天平和量筒来测量橡皮泥的密度
实验原理：
主要实验步骤：
①用已调好的天平测出一块大小合适的橡皮泥的质量m（如图甲所示）；
②向量筒中倒入适量的水，读出水的体积V₀=18cm³；
③将橡皮泥浸没在量筒内的水中，读出水面所对应的刻度V；（如图乙所示）
④计算出橡皮泥的体积V；
⑤算出橡皮泥的密度ρ．
请将表格中的数据补充完整：

橡皮泥的质量 m/g	水的体积 V0/cm^3	橡皮泥和水的总体积V1/cm^3	橡皮泥的体积 V/cm^3	橡皮泥的密度 ρ/g•cm^﹣3
	18

（2）小琴认为：不用天平，只用量杯（如图丙）和水也可以测出橡皮泥的密度．实验步骤如下：
①取适量水倒入量杯．读出水的体积为v₂；
②将橡皮泥捏成船形，放入量杯，使其漂浮在水面，读出水面所对应的刻度为V₃，计算橡皮泥的质量m= ；（水的密度用表示）
③取出橡皮泥．将它捏成实心体．放入量杯．使它沉人水中．读出水面所对应的刻度为v₄．算出橡皮泥的体积V；
④计算橡皮泥的密度．
（3）请你仔细观察图中的量筒和量杯，发现了什么？ ．由此判断，谁的测量结果误差更大些？   ．

小明在完成“动手动脑学物理”时，认识了密度计。将其放入液体中，当它竖立静止时，与液面相交的读数即为待测液体的密度。

（1）如图甲、乙所示，让同一支密度计分别静止在水和酒精中，密度计受到的浮力  （选填“变大”、“变小”或“不变”）；装水的容器是             （选填“甲”或“乙”）．
（2）小明将一只铅笔的下端缠绕了适量铜丝，初步做成了一支密度计（如图丙）；为了给密度计标上刻度，他进行了如下实验：．
a．将其放入水中，竖立静止后，在密度计上与水面相平处标上水的密度值1.0g/cm³；
b．将其放入植物油中，用同样的方法在密度计上标上植物油的密度值0.9g/cm³；
c．像标示弹簧测力计刻度的方法一样，他以两刻度线间的长度表示0.1g/cm³将整个铅笔均匀标上刻度;
d．他将做好的密度计放入酒精中进行检验，发现液面明显不在0.8g/cm³刻度处。
①如丙图所示，小明制作的密度计，你认为刻度0.9应该在   点（选填“p”或“q”）。
②在实验步骤c中，小明这样均匀标示刻度对不对？                 
③若被测液体的密度为ρ_液密度计浸入被测液体的深度为h（如图丁）、自制密度计的质量为m铅笔的横截面积为s，请你推导出h与ρ_液的关系式 （用给定的字母表示推导结果）

“远征号”潜水艇在我国钓鱼岛执行任务时既能下沉又能上浮，俊析物理兴趣小组的同学对此问题进行了以下探究。
【提出问题】“远征号”潜水艇在执行任务时是如何实现上浮和下沉的呢？
【进行猜想】物体的浮沉取决于物体的重力与浮力的大小
【实验器材】一个小玻璃空药瓶、干抹布、橡皮筋、细线、烧杯、水、刻度尺、薄膜塑料袋、餐巾纸
【进行实验】
(1)将小玻璃空药瓶装入大部份水，旋紧瓶盖，放入水中，观察到小瓶下沉，捞出后用用餐巾纸擦干小瓶，用细线系着挂在橡皮筋下(如图甲所示)，并用刻度尺量出橡皮筋的长度为L₁；
(2)在薄膜塑料袋内放一装满水的烧杯，将此瓶浸没在烧杯中，用薄膜塑料袋收集从烧杯中溢出的水，再将塑料袋及收集的水挂在同一橡皮筋下，用刻度尺且出此时橡皮筋的长度为L₂；此时L₁>L₂，说明浮力____重力(选填“>”、“<”或“=”)，物体会下沉。
(3)倒出小瓶中的水，用餐巾纸擦干小瓶，旋紧瓶盖，将小瓶浸没水中放手后，观察到小瓶上浮，捞出小瓶，用餐巾纸擦干，旋紧瓶盖:挂在同一橡皮筋下，用刻度尺量出此时橡皮筋的长度为L₃，此时应通过比较_____和L₃的长短，就能比较物体受到的浮力与重力的大小，于是，知道物体上浮的条件。
(4）在小瓶不断上浮未露出水面的过程中，它受到的浮力将________(选填“变大”或 “变小”或“不变”)。
(5)改变小瓶中水的多少，重复上面的实脸，进行多次实验。
【实验结论】如图乙所示的潜水艇结构模型和实验所用的小药瓶实现浮沉的共同之处，都是靠改变______ 来实现浮沉的。“远征号”潜水艇在执行任务时就是依据此原理实现上浮和下沉。

理想实验是科学研究中的一种重要方法，它是将实验条件、过程在思维中以理想化的方式表现出来，如为了研究轻重不同的物体咋真空中的下落快慢，科学家曾做过下面的理想实验．
将大小相同的金、铅、木三个实心小球，分别同时放入三种密度不同的介质中（ρ_介质1＞ρ_介质2＞ρ_介质3），观察比较三个小球下落的快慢，如图所示．

试回答下列问题：
（1）“下落的快慢”可以通过比较三个实心小球在同种介质的同一高度，由静止同时释放，下落到相同位置时所需的        得出．
（2）在上述实验中，三个小球下落快慢的差异由大到小的介质依次是                ．
（3）进一步推理可得，当三个小球在真空时，它们下落快慢的差异将            ．

问题解决--测量浮力：
小雨想要知道一块形状不规则的塑料泡沫浸没在水中时所受浮力的大小，身边只有一个轻质滑轮，一把轻质硬木刻度尺，一个密度小于水的正方体木块，一个盛有适量水的水槽和线绳．
（1）测量步骤（配图说明）；
（2）计算出浮力的大小F_浮=         ．

某兴趣小组在制作“浮沉子”时，为了研究受力情况对“浮沉子”浮沉的影响。他们用两个玻璃管进行实验，玻璃管一端开口，重力为4N，粗细相同、长度不同。实验中将玻璃管开口端向下插入水中的不同位置，玻璃管上部始终有一部分气体（质量忽略不计），管内液面距离水面深度为h，用DIS实验设备测量出玻璃管顶上侧所受压力F₁和下侧所受压力F₂，同时观察玻璃管由静止释放后的运动情况。小佳和小汇分别用长度不同的玻璃管进行了实验，表一、表二是他们各自记录的实验数据。

表一（玻璃管长l1，实验记录：小佳）            表二（玻璃管长l2，实验记录：小汇）
	第二列	第三列	第四列	第五列	第六列		第八列	第九列	第十列	第十一列	第十二列
实验序号	实验装置示意图	管内液面深度h（cm）	管顶上侧压力F1（N）	管顶下侧压力F2（N）	释放后管运动情况	实验序号	实验装置示意图	管内液面深度h（cm）	管顶上侧压力F1（N）	管顶下侧压力F2（N）	释放后管运动情况
1		4	40	44	漂浮	7		4	40	44	漂浮
2	6	40	46	上浮	8	6	40	46	上浮
3		8	43	48	上浮	9		10	45	50	上浮
4	10	46	50	悬浮	10	12	48	52	悬浮
5	12	49	52	下沉	11	14	51	54	下沉
6	14	52	54	下沉	12	16	54	56	下沉

①分析比较第三、五列或第九、十一列中的实验数据，可得出的初步结论是：                       ，
且进一步分析比较可得：                                   。
②进一步综合分析比较表一、表二中的实验数据及相关条件，可得出初步结论。
分析比较实验序号1、4或7、10的实验数据及相关条件，得到的初步结论是：                         时物体处于平衡状态。
分析比较实验序号2、3或8、9的实验数据及相关条件，得到的初步结论是：                          时物体上浮。
分析比较实验序号5、6或11、12的实验数据及相关条件，得到的初步结论是：                          时物体下沉。
③进一步综合分析比较实验序号4与9或5与10或6与11中的实验数据及相关条件，得出的初步结论是：长度不同的玻璃管浸没后，当管内液面的深度相同时，             。

为安全起见，妈妈为小明买了一块浮板辅助练习游泳。妈妈认为浮板能漂在水面上是因为它轻，小明认为妈妈的说法不对，科学的说法是因为浮板的密度比水的密度小。为验证自己的说法，小明设计了如下实验：
（1）找一根轻质均匀木棍、细绳（质量忽略不计）和一块标有“净重115g”字样的新肥皂，用如图所示的方法进行测量。测量时，使木棍在____位置平衡，记下A、B的位置，用刻度尺测出OA=10cm，OB-40cm，则浮板的质量为       kg。

（2）把浮板压入装满水的桶中刚好浸没，用塑料袋（质量忽略不计）收集溢出的水，用（1）所述方法测得溢出水的质量为4. 6 kg，则浮板的体积为      m³，密度为        kg/m³；用刻度尺测肥皂的长、宽、厚，算出肥皂的密度为1.33×l0³kg／m³。浮板在水中漂浮而肥皂在水中下沉，说明小明的说法是正确的。小明用此浮板游泳时浮板受到的最大浮力为______N。
（3）根据这个实验结果，妈妈说原来用密度比水小的材料制成的物体才能漂浮在水上，这种说法____（选填“正确”或“不正确”）。请举例说明                               .

为了测出普通玻璃的密度，小明同学利用一个普通玻璃制成的小瓶、一个量筒和适量的水，做了如下的实验：

（1）在量筒内倒入40cm³的水（如图甲所示）；
（2）让小瓶口朝上漂浮在量筒内的水面上（如图乙所示），此时水面与80cm³刻度线相平；
（3）让小瓶口朝上沉没在水中（如图丙所示），这时水面与60cm³刻度线相平．
根据以上测出的数据可知：小瓶漂浮在水面时，它排开水的体积是      cm³；小瓶的质量是    g；制造小瓶的玻璃的体积是    cm³；制造小瓶的玻璃的密度是_______kg/ cm³。

某实验小组同学发现，漂浮在不同液面上的实心物体浸入液体的体积不同，于是他们猜想：物体的密度、物体的体积、液体的密度可能会对漂浮在液面上的实心物体浸入液体的体积有影响。
为验证猜想，他们选用了若干不同的实心圆柱体和足够深的不同液体进行实验（实验时物体均能漂浮在液面），并将物体的密度、物体的体积、液体的密度，以及物体浸入液体的体积记录在表一、表二和表三中。
表一

实验 序号	物体密度 （千克/米^3）	物体体积 （厘米^3）	液体密度 （千克/米^3）	浸入液体体积 （厘米^3）
1	0.4×10^3	15	1.0×10^3	6
2	0.4×10^3	20	1.0×10^3	8
3	0.4×10^3	25	1.0×10^3	10

表二

实验 序号	物体密度 （千克/米^3）	物体体积 （厘米^3）	液体密度 （千克/米^3）	浸入液体体积 （厘米^3）
4	0.6×10^3	15	1.0×10^3	9
5	0.6×10^3	15	1.2×10^3	7.5
6	0.6×10^3	15	1.5×10^3	6

表三

实验 序号	物体密度 （千克/米^3）	物体体积 （厘米^3）	液体密度 （千克/米^3）	浸入液体体积 （厘米^3）
7	0.8×10^3	15	1.0×10^3	12
8	0.8×10^3	15	1.2×10^3	10
9	0.8×10^3	15	1.5×10^3	8

① 分析比较实验序号1与2与3的数据及相关条件，可得的初步结论是：密度相同的
实心物体漂浮在同种液体中，      （11）      。
② 分析比较实验序号     （12）          的数据及相关条件，可得出的初步结论是：密度和体积相同的实心物体漂浮在不同液体中，浸入液体的体积与液体密度成反比。
③ 分析比较实验序号     （13）          的数据及相关条件，可得出的初步结论是：体积相同的实心物体漂浮在同种液体中，浸入液体的体积与物体密度成正比。
④ 实验小组同学对表一、表二、表三中2、3、4列数据进行了一定的运算，并结合相关条件，可得出的进一步结论是：
（a）当             （14）                     时，物体浸入液体的体积相同；
（b）当             （15）                                        。

小红的妈妈有一只翠玉手镯，她想知道手镯的密度。现在只有如下器材：一个水槽和足量的水、细线、刻度尺、一个正方体木块。请你按照下面的实验设计思路，把实验步骤补充完整，并利用测量中的表示符号和水的密度ρ_水，写出测量翠玉手镯密度的数学表达式。
实验步骤：
①水槽中装入适量水，将木块放入水槽中，用刻度尺测出木块下表面到水面的距离h₁；
②将手镯放于木块上，如图所示，用刻度尺测出木块下表面到水面的距离h₂；

③                                       。
翠玉手镯密度的数学表达式：ρ=            。

某小组同学在学习了密度知识后，根据“浸入水中的铁块最终静止在容器底部、浸入水中的木块最终漂浮在水面上”的现象，猜想物块的密度可能会对它浸入水中后的最终状态有影响。于是他们用若干体积相同、密度不同的实心物块和足够的水进行试验，并把实验数据及观察到的实验现象记录下表中：

（1）分析比较实验序号1、2、3的数据及现象，可得出的初步结论是：当                 时，物块最终静止在容器底部。
（2）分析比较实验序号      的数据及现象，可得出的初步结论是：当浸入水中实心物块的密度小于水的密度时，物块最终漂浮在水面上。
（3）小明同学认为上述实验数据有限，得到的初步结论未必足以使人信服，应该用更多的实验数据进行验证，于是他决定进一步研究密度范围在     千克／米³左右的实心物块浸入水中。
（4）上述6组实验中，受到水的浮力最小的物块是         （填编号）。

为了测量某种不吸水的软塑泥的密度，刘强同学设计了如图实验步骤：
甲：将适量的水装入量杯，水面处刻度值为V₁；
乙：将塑料软泥捏成小碗形状，小碗漂浮在量杯中的水面上，水面处刻度值为V₂；
丙：将塑料软泥捏成实心团，放入量杯中的水里，泥团漂浮在水面上，用细钢针轻压泥团，使泥团完全浸没水中，水面处刻度值为V₃；
丁：将泥团取出，吸干表面水滴，用细线系着泥团称重，测力计示数为F．

（1）请给步骤丙这种方法取一个名字      ；
（2）选取甲、乙、丙三步法测塑泥密度，用V₁、V₂、V₃、ρ_水表示ρ_泥= ；
（3）选取甲、乙、丙三步法测塑泥密度，用V₁、V₃、F、g表示ρ_泥= ．