专题13 物理仪器原理探究（原卷版）

专题13物理仪器原理探究考情分析密度计，浮力秤等工具都是物理中常见的模型，是利用所学过的知识点加以应用，更能考察学生对知识点的综合理解应用。密度计⭐⭐浮力秤⭐⭐杠杆平衡⭐⭐考向1密度计小嘉同学利用假期参观酒厂，了解到白酒酿制和相关工艺流程、并知道了白酒“度数”的含义，于是决定和同学一起通过项目化学习，制作一个基于密度计原理测量白酒度数的仪器。（白酒的“度数”不是质量分数，而是体积分数，例如53°的白酒表示20℃时，100mL白酒中含有53mL酒精。）（1）如图所示为该项目化学习小组制作的测量白酒“度数”的仪器，制作时发现仪器不能竖直漂浮在液体中，可采用的方法是。（2）已知该仪器的总体积为30cm3，若把它置于70°白酒中依然能漂浮于液面，则它的质量不能大于多少克？附：20℃时白酒“度数”与密度对照表白酒的度数/V38°53°62°65°70°密度g/mL0.9510.9240.9050.8980.886（3）标刻度时，须先将它置于水中，待该仪器稳定后，水面与A处相平，此时A处应标注的刻度为（选填“0”或“1.0”）。科学兴趣小组同学在老师指导下，用塑料吸管、橡皮泥和一些小钢珠自制了一个密度计：在吸管底部塞入一段橡皮泥，塞入一些小钢珠后用橡皮泥封住，初步做成了一支简易密度计（如图甲）。为了给密度计标上刻度，他进行了如下操作：a.用刻度尺测出吸管的长度L，将其放入盛有380mL水的烧杯中，竖直静止后，在吸管与液面相交处标上刻度ρ1，此时液面上的吸管长度h1（如图乙所示）。b.在水中加入适量食盐，测出液面上的吸管长度h2，在吸管与液面相交处标上刻度ρ盐水（如图丙所示）。（1）在步骤a到b的过程中，密度计受到的浮力（选填“变大”、“变小”或“不变”）。（2）ρ1处应标g/cm3；在丁图中，刻度ρ盐水应该在（选填“p”或“q”）点。（3）小明认为，只需要根据步骤a中已知的L，h1，ρ1，就可以推导出ρ盐水和h2的关系，从而在密度计上标注出盐水的密度值。请你根据已学知识推导出ρ盐水与h2的关系式：（用L，h1，p1，h2来表示ρ盐水）。考向2浮力秤项目学习小组利用学到的浮力知识制作一个能够测物体质量大小的浮力样。浮力秤制作方法：①找一个足够长的饮料瓶（瓶身为圆柱体），剪掉瓶底，旋紧瓶盖，在瓶盖处系一块质量适当的小石块，使塑料瓶能倒置并竖直在水中（如图甲）。②确定零刻度线和测量范围。③标注刻度线：使用时，只要把被测物体放入瓶中，从水面所对的刻度就可以直接读出被测物体的质量。（1）系小石块的目的是。（2）浮力秤的零刻度线如何确定？。（3）标记零刻度线后，距离零刻度以上10cm处为测量最大值，已知饮料瓶圆柱状部分的横截面积为35cm2，则该浮力秤可以测量的最大质量是多少？（4）最后标注刻度线时，小组成员有三种不同方案，如图乙所示你认为合理的是哪种方案，并说明理由。。如图是浮力秤结构示意图，构造如下：两个底面积不同的圆柱形玻璃容器，大容器底面积是300cm2，高度是21cm，小容器底面积是250cm2，高度是25cm，质量是250g，小容器漂浮于大容器的水中，两容器壁厚可忽略不计。问。（1）不放被测物时，小容器受到的浮力为牛。（2）已知该浮力秤的最大V排为21cm×250cm2，请计算该浮力秤测质量的量程。（3）分析计算12N的水能否完成该浮力秤最大质量的称量？考向3杠杆平衡应用“小秤砣，压千斤”，可生活中没见过能称“千斤”的杆秤，小明对此存在疑惑。“五•一”假期他邀请物理老师去动物园，准备自制“杆秤”称一头大象的质量。器材有：铁笼、长钢管、卷尺、电子测力计、起重机等。测量的步骤如下。（1）如图甲，先将空铁笼挂在钢管的B点，左右移动吊钩到O点，直到钢管水平静止，目的是；（2）将大象引入铁笼，保持吊钩的悬吊点O和铁笼悬挂点B的位置不变．用电子测力计竖直向下拉住槽钢的另一端A点，使之再次在水平位置平衡；测得图乙中OB＝8cm，OA＝8m，测力计示数为200N，则大象质量为kg；（g＝10N/kg）（3）若测力计量程为0～200N，要用现有器材称出更重些的大象，正确的做法是；（4）经过活动，小明知道了“小秤砣，压千斤”的原理是。如图所示，轻质杠杆AB可绕O点自由转动。当杠杆A端的甲物块悬空；B端的乙球浸没在水中时（不碰容器底和壁），杠杆恰好水平平衡，A、B两端的细线均不可伸长且处于张紧状态。已知OA：OB＝1：2，甲物块重400N，乙球体积为1×10﹣2m3，g取10N/kg。下列说法中正确的是（）A．乙球受到的浮力为10N B．杠杆B端所受的拉力为100N C．乙球的重力为300N D．乙球的密度为2×103kg/m3

如图所示是一个自制密度秤，其外形和杆秤差不多。其左端A点挂一个质量为0.2kg、体积为25cm3的铁块。提纽位于O处，秤砣放在B处时，秤杆恰好水平平衡。已知秤砣的质量为0.1kg，AO＝5cm，BO＝10cm。把铁块浸没在待测密度的液体中时，移动秤砣便可直接在杆上读出液体的密度。（1）密度秤零刻度在O点右侧cm处。（2）现将铁块浸没在待测液体中，秤砣左移1.5cm到C点时，杠杆在水平位置重新平衡，则待测液体的密度为kg/m3。（3）关于该密度秤的刻度特点下列判断正确的有哪些。A.该密度秤的刻度不均匀B.该密度秤的刻度左大右小C.秤砣质量变小密度秤的精度变高D.秤砣质量变大密度秤的量程变大小明用一根常见的筷子做了一些实验，请回答以下的问题。（1）如图甲，小明把筷子用绳子悬挂静止后的情形，此时筷子是的（选填“平衡”或“不平衡”）。（2）如图乙，筷子在水平位置平衡，标记支点的位置为0，若将筷子从O点折断，设折断后的左端和右端的筷子的重力分别为G1和G2，则G1G2（选填“＞”、“＜”或“＝”）。（3）小明用筷子、刻度尺、杯子和水巧妙地测量小石块的密度，实验过程如下。①如图丙所示重物悬挂在筷子A处，移动石块悬挂在筷子B处，此时筷子在水平位置恢复平衡，用刻度尺分别测得OA、OB的长度为8cm和6cm。②保持重物的悬挂点位置A不变，将小石块浸没在盛有适量水的杯中，目的是为了保证排开水的体积（选填“大于”、“等于”或“小于”）石块的体积；调整小石块的悬挂点位置（且未与杯底、杯壁接触），直至在筷子C处，如图丁所示筷子在水平位置再次平衡，用刻度尺测得OC的长度为10cm。通过计算，测得石块的密度为kg/m3。“曹冲称象”是家喻户晓的典故，某学校科技小组同学张强模仿这一现象制作了一台“浮力秤”，可以方便地称量物体的质量，其构造是由小筒和秤盘两部分组成，如图甲所示，已知小筒底面积为20cmm，高度为20cm，小筒和秤盘总质量为100g。（取g＝10N/kg）问：（1）如图甲，当秤不放物体时，“浮力秤”受到的浮力是多少？（2）如图乙，在秤盘上放一石块后，小筒浸入水中的深度为15cm，则该石块的质量是多少？（3）通过实验，张强同学把“浮力秤”的读数均匀的刻在了小筒上，请简要回答：张强是怎样确定该“浮力秤”的零刻度线和所能测量的最大质量的？某同学利用两个定滑轮、一条细线、若干细沙、一个上端开口的浮筒及水平支架设计了浮力秤，如图所示。（指针固定在细绳上且能随细绳移动，秤盘质量和滑轮摩擦忽略不计）（1）该实验中定滑轮的作用是。（2）使用前指针位于如图所示位置，请写出该浮力秤的调零方法。（3）浮力秤制作时，所用浮筒的重力为3牛，浮筒的底面积为150平方厘米，高度为22厘米，通过计算，求此浮力秤理论上能测量的最大质量。牛奶中掺水量越多，牛奶的密度越小，品质越差。小丽想通过测定密度来比较两种牛奶品质的优劣，她用一根一端密封的空心玻璃管下端绕上一段细铁丝，制成一个自制密度计，如图。（1）纯牛奶是（选填：“溶液”、“悬浊液”或“乳浊液”）。（2）分别将自制密度计浸入牛奶甲和牛奶乙中，静止后如图。由图可知品质较高的是（选填：“甲”、“乙”或“相同”）。某校科学小组同学在科学老师指导下，用塑料吸管、橡皮泥和一些小钢珠自制了一个密度计：在吸管底部塞入一段橡皮泥，塞入一些小钢珠后用橡皮泥封住，初步做成了一支简易密度计（如图甲）。（1）塞入小钢珠的作用是。（2）小组同学为了给密度计标上刻度，他进行了如下实验：a.用刻度尺测出吸管的长度L，将其放入盛有380ml水的烧杯中，竖直静止后，在吸管与液面相交处标上刻度ρ1，此时液面上的吸管长度h1（如图乙所示）；b.在水中加入适量食盐，测出液面上的吸管长度h2，在吸管与液面相交处标上刻度ρ盐水（如图丙所示）；①在步骤a到b的过程中，密度计受到的浮力（选填“变大”、“变小”或“不变”）。②你认为ρ1处应标g/cm3；在丁图中，刻度ρ盐水应该在（选填“p”或“q”）点。③小明认为，只需要根据步骤a中已知的L，h1，ρ1，就可以推导出ρ盐水和h2的关系，从而在密度计上标注出盐水的密度值。请你根据已学知识推导出ρ盐水与h2的关系式：（用L，h1，ρ1，h2表示ρ盐水）（3）小明通过计算得出盐水的密度为1.05g/cm3，已知烧杯中盐水的体积为400cm3，则步骤b中加入食盐的质量为g。小海想自制一个浮力秤，他选用了一个圆柱形小桶进行制作。【制作步骤】在小桶底部打入一枚钉子，绑上绳子，在上面系一块质量适当的石块，然后将其倒置在水桶里。使用时，只要把被测物体投入瓶中，从水面所对的刻度就可以直接读出被测物体的质量。（1）石块的作用是。（2）将石块从瓶外移至瓶内，水桶中的水面是否会变化？。（选择“上升”、“下降”、“不变”）（3）如图所示，秤上不放其他物体时，瓶身与水面齐平位置即为浮力秤的0刻度。若浮力秤圆柱状部分的横截面积为50cm2，请计算图中刻度3右边对应的质量应标上多少？（4）若将该浮力秤当作密度计使用，已知其在水中时，液面距离瓶底距离为h1，在酒精中液面距离瓶底的距离为h2，请你利用ρ水、ρ酒精和h1，推导出h2关于这三个物理量的关系式ρ水研习小组制作了一个可以直接测量液体密度的“液体密度秤”，并制作了一份“制作说明书”，如图所示。“液体密度秤”制作说明书步骤①：按图甲制作好秤杆，提起提纽，移动秤砣（小螺母），当秤杆水平平衡时，用笔将此秤砣悬挂点B标记为“0”刻度（单位：g/cm3）。步骤②：按图乙将大螺母浸没在水中但不能碰到烧杯底部，提起提纽，移动秤砣。当杆秤再次水平平衡时，用笔将此时秤砣的悬挂点C标记为“1”刻度。步骤③：将BC两刻度之间均匀分成10等份，并标上相应的刻度。步骤④：将烧杯中的水换成待测液体，按照步骤②的方法操作。当杆秤水平平衡时，秤砣悬挂点的刻度即待测液体的密度。【原理探析】为探究“液体密度秤”刻度是均匀的，小东进行了推论：根据步骤①和②，由杠杆平衡原理可得：m1g×OA＝m2g×OB………………①（m1g﹣F浮）×OA＝m2g×OC……………②①②两式相减，可得：F浮×OA＝m2g×BC…③由阿基米德原理可知：F浮＝ρ液gV排……④由③④可得：ρ液=（1）根据推理结果，液体密度秤刻度是均匀的原因是。【制作与应用】小东根据说明书制作了“液体密度秤”，并对已知密度为0.7g/cm3的液体进行测量验证，发现测量值为0.9g/cm3，经排查是大螺母放入烧杯时候有错误操作。（2）其错误操作可能是。【评价与改进】制作“液体密度秤”评价量表评价指标优秀合格待改进指标一刻度均匀、量程大刻度较均匀