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省力

远离
【分析】
我们可以顺着抽水马桶的工作逻辑逐步思考:首先第一空,水位升高时浮球向上运动,是水对浮球的浮力提供了上升的动力;接着判断杠杆类型,先确定支点O,对比动力臂和阻力臂的长度,发现动力臂更长,因此属于省力杠杆,按照力和力臂的规范要求即可完成作图。第二问,浮球进水后自重变大,漂浮时浮力等于总重力,需要更大的浮力就对应更大的排开水体积,因此浸入水中的体积会更大。第三问要让标准水位比原来更低,也就是浮球在更低的位置就能带动进水阀关闭,结合杠杆平衡条件,在阻力、阻力臂不变的情况下,增大动力臂就可以用更小的动力完成关阀动作,因此把浮球往远离支点O的方向移动,就能实现更低的标准水位,达到节水的目的。
【解析】
(1) 随着水位升高,浮球排开水的体积增大,在水的浮力作用下上升;该杠杆支点为O,浮球受到的向上的浮力为动力,进水阀对连杆向下的拉力为阻力,动力臂长度大于阻力臂长度,属于省力杠杆。作图规范:B点的阻力$F_2$方向竖直向下,作用点在B点;阻力臂$l_2$是从支点O向$F_2$的作用线作出的垂线段;浮球的重力作用在浮球球心,方向竖直向下。
(2) 浮球破损进水后,浮球的总重力变大,漂浮状态下浮力等于总重力,因此需要更大的浮力,由阿基米德原理$F_浮=\rho_液gV_排$可知,浮球浸入水中的体积比浮球没进水时更大。
(3) 根据杠杆平衡条件$F_1L_1=F_2L_2$,进水阀关闭需要的阻力和阻力臂不变,将浮球向远离O点的方向移动时,动力臂变大,浮球在较低水位获得的较小浮力就可以满足杠杆平衡,提前带动进水阀关闭,使水箱的标准水位比原来更低,实现节水。
【答案】
(1) 浮;省力;
(2) 大
(3) 远离
【知识点】
浮力的应用,杠杆分类,杠杆平衡条件
【点评】
本题以生活中常见的抽水马桶为载体,将浮力与杠杆的知识点融合,既考察了基础概念的掌握,也锻炼了学生用物理原理分析实际机械工作过程、排查故障和进行优化改进的能力,贴合生活实际,引导学生关注身边的物理现象。
【难度系数】
0.7
【分析】
首先思考第(1)问:要准确判断小钢珠的落地点,核心是让小钢珠落地时能在接触面上留下清晰可辨的标记,因此可以通过给小钢珠附着可留下痕迹的物质来实现,操作简单可行。
然后思考第(2)问:验证多因素影响的探究实验,必须使用控制变量法。验证猜想A时,要控制橡皮筋数量、使用的小钢珠、抛掷杆下压位置等所有其他条件不变,只改变橡皮筋的拉伸程度,也就是将橡皮筋固定在不同的1、2、3号位,拉伸程度依次变大,多次实验取平均值减小偶然误差,对比不同拉伸程度下的抛出水平距离即可得出结论。验证猜想B时,要控制橡皮筋的拉伸程度完全相同,也就是橡皮筋都固定在同一个号位,只改变橡皮筋的数量,同样多次实验取平均值,对比不同橡皮筋数量下的抛出水平距离,就能验证猜想B是否成立。
【解析】
(1) 要让落地点清晰可辨,只需让小钢珠落地时留下明显印记,最简单的操作是在小钢珠表面涂抹石灰粉、颜料等有色易留痕的物质,落地后就会在地面留下清晰的落点标记,方便准确测量水平抛出距离。
(2) 两个猜想分别对应两个变量,采用控制变量法分别设计实验:
① 验证猜想A时,控制橡皮筋数量、小钢珠、抛掷杆下压位置不变,仅改变橡皮筋的固定位置来改变拉伸程度,每组重复多次实验取平均值,避免单次实验的偶然误差,对比不同拉伸程度下的平均抛出距离,总结规律。
② 验证猜想B时,控制橡皮筋的拉伸程度、小钢珠、抛掷杆下压位置不变,仅改变橡皮筋的数量,每组重复多次实验取平均值,对比不同橡皮筋数量下的平均抛出距离,总结规律。
【答案】
(1) 在小钢珠上涂抹石灰粉(或颜料等),用于标记小钢珠的落地点位.
(2) 方案一:探究猜想A“可能与橡皮筋的拉伸程度有关”:① 取一根橡皮筋,连接抛掷杆的固定点和1号位,将抛掷杆下压至水平位置,在瓶盖上放入一颗标记过的小钢珠,松开抛掷杆,记录小钢珠抛出的水平距离;② 用同一个小钢珠重复步骤①三次,求出抛出小钢珠水平距离的平均值L₁;③ 将橡皮筋分别固定在2、3号位,并重复实验步骤①②,记录小钢珠抛出的平均水平距离L₂、L₃;④ 比较L₁、L₂、L₃的大小,得出抛出小钢珠的水平距离与橡皮筋拉伸程度的关系.
方案二:探究猜想B“可能与橡皮筋的数量有关”:步骤①②同方案一中①②;③ 分别用2根、3根橡皮筋固定在1号位处,重复实验步骤①②,分别记录用1根、2根、3根橡皮筋时抛出小钢珠水平距离的平均值L₄、L₅、L₆,并比较得出抛出小钢珠的水平距离与橡皮筋数量的关系.
【知识点】
控制变量法,多次测量减小误差,探究实验设计
【点评】
本题属于物理探究类实验设计题,既考察学生针对实际实验问题提出优化解决方案的能力,又重点考察控制变量法在多变量探究实验中的规范应用,要求学生明确每个猜想对应的控制变量和改变变量,同时通过多次测量取平均值的方式减小偶然误差,对学生的实验实操思维有较好的锻炼作用。
【难度系数】
0.4