专题11 设备原理探究-【赢在中考】中考科学二轮复习压轴题（浙江专用）

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专题11 设备原理探究

题型分析
密度计、浮力称、杠杆原理、滑轮原理等基础设备的原理都是考查的重点,近几年的中考卷一般会提供有关生活体验的情景和社会关注的热点问题为背景,需要学生综合运用这些知识解决实际问题,做到学以致用、融会贯通。主要考查方向有①利用浮力为原理的密度计和浮力称的原理及相关注意事项；②掌握杠杆和滑轮的基本原理，以及其使用在实际生产生活中的应用。

题型一、密度计
例题1．（2022八上·缙云期末）小科按照教材中“综合实践活动”的要求，制作简易密度计。
（1）取一根粗细均匀的饮料吸管，在其下端塞入适量金属丝，并用石蜡封口。塞入金属丝的目的是使吸管能在液体中　 　。
（2）将吸管放到水中的情景如图(a)所示，测得浸入的长度为H；放到另一液体中的情景如图(b)所示，浸入的长度为h。用ρ液、ρ水分别表示液体和水的密度，则ρ液　 　ρ水（填“＞”、“＜”或“＝”）。

实验次数
1
2
3
4
5
液体密度ρ/g·cm－3
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
浸入的深度h/cm
6.3
5.6
5.0
4.5
4.2
（3）小科做了五次实验，获得的数据如上表：小科根据实验数据在吸管上标出0.8、0.9、1.0、1.1、1.2刻度线（单位g/cm3）。小科通过比较上述实验数据，可不可以研究浮力大小与液体密度的关系，并请说明原因　 　。
（4）接着小科再用这个密度计测量食油的密度。但操作时却出现了图(c)所示的情形。请你帮助小科稍加改进，利用该密度计顺利测出食油的密度　 　。
例题2．（2021八上·瑞安月考）科学拓展课上，同学们利用一根吸管制作一个简易密度计。
（1）小明在吸管的下端塞入一些铜丝作为配重，这样做的目的是　 　。
（2）在老师的指导下，同学们通过计算，在吸管上标出对应的刻度线，便制成了一个简易的吸管密度计，以下四位同学标刻的刻度合理的是　 　。

（3）小明提出：适当增大配重可以使简易密度计测量结果更准确，你是否支持他的观点？并说明理由　 　。
例题3．（2021八上·绍兴期中）小明按照教材中“综合实践活动”的要求制作了简易密度计。取一根粗细均匀的饮料吸 管，在其下端塞入适量金属丝并用石蜡封口。如下图所示。
为了给密度计标上刻度，他进行了如下操作：

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1.0g/cm3
b.将其放入密度0.9g/cm3植物油中，用同样的方法在密度计上标上0.9g/cm3；
c.接着他以两刻度线间的长度表示0.1g/cm3，将整个饮料吸管均匀标上刻度；
d.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）如图甲所示，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是　 　(选填“正确”、“错误”)。
（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(如图乙)、自制密度计的质量为 m，横截面积为 S，用给定的字母推导出ρ液关于 h 的关系式为　 　。
（4）小明为了让简易密度计做的更精确，想使密度计上两条刻度线之间的距离大一些，请 你为小明设计一种改进方法：　 　。
题型二、浮力称
例题1．（2021八上·三门期末）小金把家里景观水池底部的鹅卵石取出清洗，他先将-个重为15N的空桶漂浮在水面上，然后将池底的鹅卵石捞出放置在桶内，桶仍漂浮在水面(不考虑捞出过程中带出的水，ρ水=1.0×103kg/m3)

（1）某块鹅卵石在水池底部时，它受到的浮力　 　 它的重力(选填“大于”、“小于”或“等于”)。
（2）全部鹅卵石捞出放置在桶内时，水池内水面高度与鹅卵石未捞出时相比会_______(选填“上升”、“下降”或“不变”)。若此时桶排开水的体积为5.0×10-3m3，求桶内鹅卵石的总质量。
例题2．（2021八上·普陀期末）为了给正方体工件表面均匀地涂上某种油，需要用竖直向下的力F把漂浮在油面上的工件缓缓地压轴入油内，如图甲所示。工件的下底面与油面的距离为h，力F与h的大小关系如图乙所示。小科觉得图中CB的延长线BA线是没有意义的，老师告诉他，当力F为负值时，标明它的方向与原来的方向相反了。

（1）分析BC段：随着h的增大，油对工件底面的压强将　 　（选填“变大”、“变小”或“不变”。）（2）若A点的坐标为(a，0)，则a=　 　，从图像分析，a表示工件一个屋里量的值，这个量就 是工件的　 　。
（3）求C点所对应的状态下，油对工件下底面的压强（不考虑大气压强）　 　。
（4）求油的密度　 　。
例题3．（2020八上·仙居期末）“水能载舟，亦能覆舟”，那么水的浮力的大小跟哪些因素有关呢？某同学做了如图所示的实验。

（1）图(b) 中物体受到的浮力是　 　N；
（2）由(b)(c)可以得出的结论是　 　；
（3）2020年11月10日，我国“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟成功潜入10909米海底，创下中国载人深潜新的深度纪录。下潜到上万米的海底难度非常大，其主要原因是　 　。
题型三、杠杆原理(共3题；共10分)
例题1．（2021九上·金华期中）下列是某科学研究小组探究杠杆平衡条件的实验过程：(本实验均使用轻质杠杆)
实验1：在直杠杆水平平衡时(如图甲所示)进行实验，记录多组数据。得出：F1×s1＝F2×s2(注：s1和s2分别表示支点到F1和F2的作用点的距离)。在直杠杆倾斜平衡时(如图乙所示)进行实验，也得到了同样的结论。

该结论适用于所有平衡时的杠杆吗？
实验2：科学研究小组用一侧弯曲的杠杆进行如图丙所示的实验，移动钩码，改变钩码数量，记录数据如表，分析表格数据发现上述结论并不成立，但发现一个新的等量关系，即：(待填)。
实验次数
F1/N
s1/cm
F2/N
s2/cm
l2/cm
1
1.0
10.0
0.5
21.3
20.1
2
1.5
20.0
1.0
31.7
29.8
3
2.0
30.0
2.5
25.5
24.0
s和l(支点到力的作用线的距离)这两个量在研究杠杆平衡条件时，哪个量才是有价值的呢？研究小组的同学观察到：支点到F的作用点的距离(s1)与支点到F1的作用线的距离(l1)是相等的。研究小组的同学又进行了实验。
实验3：①移动钩码，使杠杆 (待填) 。
②继续实验，使杠杆平衡，记录F1、s1、l1和F2、s2、l2。
③改变钩码数量，移动钩码，记录杠杆处于平衡时的多组F1、s1、l1和F2、s2、l2。
④分析实验数据，得出弯杠杆的平衡条件。
最后，通过科学思维，得出所有杠杆的平衡条件都是：F1×l1＝F2×l2。杠杆的平衡条件可用于解释许多杠杆应用，如用图1方式提升物体比用图2方式省力，就可用杠杆的平衡条件作出合理解释。请回答：

（1）实验2中，在研究一侧弯曲的杠杆时，发现的一个新的等量关系是　 　。
（2）将实验3中的①填写完整　 　。
（3）“支点到力的作用线的距离”在科学上被称为“力臂”。通过探究杠杆平衡条件的实验，使我们深深认识到建立这一科学量的价值。用下图中的图1方式提升物体比用图2方式省力的原因是　 　。
例题2．（2021九上·镇海期末）在“探究杠杆平衡条件”的实验中：
（1）小科同学先把杠杆的中点支在支架上，杠杆静止在如图甲所示的位置，此时杠杆处于　 　（填 “平衡”或“不平衡”）状态。

（2）杠杆在水平位置平衡后，小科按照图乙所示的实验方案，在杠杆上分别施加动力、阻力，并使杠 杆在水平位置重新平衡，记录动力 F1 、动力臂 L1 、阻力 F2 、阻力臂 L2 在下表中。
实验序号
F1
L1
F2
L2
1
2
3
2
3
2
3
4
3
4
3
4
2
4
2
该小组同学分析比较表中数据后，发现可以得出多个不同的结论。他们经过思考，认为图乙所 示的方案存在缺陷。你认为图乙所示方案的缺陷是：　 　。
（3）小科重新多次实验后，根据所得数据绘制成如图丙所示的L2和F2的关系图像。他发现这和数学课上学过的反比例函数y＝kx的图像很相似。为了进一步确定L2和F2的函数关系，他应该利用以上数据作L2和　 　之间的关系图像。
（4）小科想利用杠杆的平衡条件来测量均匀刻度尺的质量。
①将刻度尺平放在支座上，左右移动刻度尺，找出能够使刻度尺在水平位置保持平衡的支点位置，记下这个位置，它就是刻度尺的重心；
②如图丁所示，将质量为M1的物体挂在刻度尺左边某一位置，使刻度尺能够在支座上重新保持水平平衡，记录物体悬挂点到支座的距离L1和刻度尺的重心到支座的距离L2；
③根据杠杆的平衡条件，可以计算出刻度尺的质量m＝　 　（用题目中所给物理量表示）。
例题3．（2021·衢州）将酒敞口放置，酒精度(酒中酒精的体积百分比)会变化吗？小科认为：只要确定酒的密度是否变化就能作出判断。于是利用身边的物品，动手制作“密度秤”来测量酒的密度。

步骤Ⅰ：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时秤砣的悬挂点B标记为“0”刻度(单位：g/cm3)。
步骤Ⅱ：按图乙所示，将大螺母浸没在水中(大螺母必须浸没且不碰底)，提起提纽，移动秤砣，当秤杆水平平衡时用笔将此时秤砣的悬挂点C标记为“1”刻度。再将BC两刻度之间分为10等份。
步骤Ⅲ：测量酒的密度。
（1）应用：小科，用该密度秤分别测出瓶盖刚打开和敞口一段时间后酒的密度约为0.92g/cm3和0 .96g/cm3，已知酒精密度为0.8g/cm3，应用密度知识可判断出其酒精度　 　(填“变大”“不变”或“变小")。
（2）反思：在制作和测量过程中，大螺母必须浸没的目的是　 　。
（3）拓展：小科若要测量食盐水的密度，他应先在密度秤上增加大于1的刻度，请你写出利用直尺和笔标定刻度的过程：　 　 。
题型四、滑轮原理
例题1．（2021·宁波模拟）在“探究动滑轮工作时的特点”活动中，小科用如图所示的动滑轮提升钩码，改变钩码的数量，在正确操作的情况下，测得的实验数据如下。

实验序号
钩码重G/N
钩码上升高度h/cm
拉力F/N
绳端移动的距离s/cm
①
1.0
10
1.1
20
②
2.0
10
1.7
20
③
3.0
10
2.3
20
（1）分析表中数据发现，使用动滑轮提升物体时，拉力不等于物体重力的一半，而是大于物体重力的一半，其主要原因是　 　。
（2）小科进一步研究，测出动滑轮的质量为100g，计算出每一组总功与有用功和克服动滑轮重力的功的差值△W=W总-W有-W轮，根据表格中的数据，发现重物的重力越大，差值
△W　 　（选“越大”、“越小”或“不变”），请你利用所学知识对此作出解释：　 　。
例题2．（2020九上·杭州月考）某学习小组使用几个相同的滑轮分别进行机械效率的测定，如图所示。他们将测得钩码重 G、拉力 F、钩码上升的高度 h、测力计移动的距离 s，并将计算出的有用功 W 有用、总功W 总和机械效率 η 数据一并记入表：
次序
G/N
F/N
h/m
s/m
W 有用/J
W 总/J
η
1
2
2.1
0.1
0.1
0.2
0.21
95.2%
2
2
1.2
0.1
0.2
0.2
0.24
83.3%
3
2
0.9
0.1
0.3
0.2
0.27
★

（1）表格中数据★= 　 　。
（2）比较实验 1、2，第 2 次的机械效率较低，主要原因是 　 　。 （3）若在实验 2 中用一个更轻的滑轮替代原来的滑轮提升同样的钩码，装置的机械效率将　 　（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
例题3．某班同学在“探究滑轮组的机械效率与哪些因素有关”时，他们猜想滑轮组的机械效率可能与动滑轮的个数、物重和物体上升的高度等因素有关，各小组利用如图所示的装置进行验证，杨阳那组得到的实验数据如表：

实验次数
物重
（N）
物体上升的高度
（m）
拉力（N）
绳子自由端移动的距离（m）
机械效率（%）
1
1
0.1
0.6
0.2
83.3
2
1
0.1
0.4
0.4
62.5
3
2
0.1
0.65
0.4
76.9
4
1
0.2
0.6
0.4
83.3
（1）比较第1、2次实验数据得出：用不同的滑轮组提升相同的物体，动滑轮个数越多，　 　 ；比较第2、3次实验数据得出：同一个滑轮组，提升的物体越重，　 　 ；比较第1、4实验数据得出：同一个滑轮组的机械效率与物体上升的高度　 　．
（2）在测拉力时，某同学觉得很难使测力计做匀速直线运动，不便于读数，就让弹簧测力计处于静止状态时才读数，该同学的读数与实际相比　 　（选填“偏大”、“偏小”或“不变”），测得机械效率　 　（选填“偏高”、“偏低”或“不变”），说明滑轮组的机械效率还与　 　 有关．
（3）有两个组所用的动滑轮重量相同，提升的物体也相同，测的机械效率却不同，原因可能是绳子滑轮或滑轮轴之间的　 　不同，影响了测量结果．所以，我们在生活中经常给各种机械加润滑油，是为了　 　 它的机械效率．

1．（2021八上·诸暨期中）小明想测量大米的密度，但由于大米容易吸水，导致体积明显变化，因此用排水的方法测量大米的体积是不合理的。于是小明进行了如下实验和思考。

实验一：按图甲和图乙的方法分别测量大米的质量和体积，由此计算出大米的密度。
（1）使用托盘天平称取5克大米。称量过程中发现天平指针偏向右边（如图甲），接下来小明应如何操作？ 　 　。
（2）由于米粒间存在较大间隙，按图乙的方式用量筒直接测量大米体积，则会导致测得的体积值偏　 　。
小明思考：能否用排空气的方法测量大米的体积呢？他设想将大米与空气密封在一个注射器内，只要测出注射器内空气和大米的总体积及空气的体积，其差值就是大米的体积。但如何测出空气的体积呢？
查阅资料得知：温度不变时，一定质量气体的体积与其压强的乘积是定值。于是进行了实验二：称取5克大米并装入注射器内（如图丙），从注射器的刻度上读出大米和空气的总体积，通过压强传感器测出此时注射器内空气压强为P;而后将注射器内的空气缓慢压缩，当空气压强增大为2P时，再读出此时的总体积（压缩过程中大米的体积、空气的温度均不变），整理相关数据记录如表。
　
注射器内空气压强
注射器内空气和大米的总体积
注射器内空气体积
压缩前
P
23毫升
V
压缩后
2P
13毫升
0.5V
（3）由实验二测得大米的密度为　 　克／厘米3。（计算结果精确到0.01）
2．（2021·下城模拟）学习了浮力知识后，小金用表面贴有白纸的木板、弹簧、金属块、细线等制作了一个液体密度计。弹簧下端挂上金属块，指针静止时的位置标为A；将金属块浸没在水中而不接触容器，指针静止时的位置B处标记为1.0；将金属块浸没于密度为0.8g/cm3的酒精中而不接触容器，在指针静止时的位置C处标记为0.8。

（1）C 处应在B处的　 　（选填“上方”或“下方”）。
（2）B 与 C 的中点处应标注的值　 　（选填“＜”“＞”或“＝”）0.9。
（3）标记完刻度后发现刻度A与B之间的距离较小，为了增大最小刻度之间的距离，可采取的做法是　 　（写出一种即可）。
3．（2021九上·台州期中）小明在探究杠杆平衡条件实验时，选用了如图甲实验装置。
（1）如图甲，把质量分布均匀的杠杆中点O作为支点，其目的是消除　 　对实验的影响。
（2）先将杠杆调节至水平位置平衡，在左右两侧各挂如图甲所示的钩码后，杠杆的　 　（填“左”或“右”）端上升。
（3）当用弹簧秤代替钩码探究杠杆平衡条件时，你会采用 　 　（填“图乙”、“ 图丙”或“图乙、图丙均可以”）正确方法进行实验。

4．为什么要引入力臂的概念，为了探究此课题，小白制作了一个“杠杆力臂演示仪”。杠杆后衬一张硬纸板，上面画等距的同心圆，最小圆半径为 1 厘米，外侧的圆半径依次增加1 厘米，杠杆的支点在圆心上，左边与支撑架之间连接一条橡皮筋，用弹簧测力计在杠杆的右边拉，让其在水平位置平衡

（1）如图甲弹簧测力计竖直向下拉至杠杆保持水平时，测得F1=4牛，在如图乙（图甲的位置向外移一格）位置竖直向下拉至杠杆水平时，F2=3牛。比较F1和F2大小不相等，但力的作用效果却相同，是因为弹簧测力计作用在杠杆上的　 　变化了。
（2）如图丙改变弹簧测力计拉力的方向，作用点与图乙一样，仍使杠杆保持水平平衡，弹簧秤的示数F3将　 　（选填“变大”或“变小”），是因为力的作用效果跟力的的方向有关，方向变了，产生同样的效果，力的大小也将会改变。
（3）如图丙当弹簧测力计测得F3=4牛时停下，比较图甲，为什么甲、丙两种情形中的拉力（F3=F1=4牛），我们有一个基本的信念，甲、丙两种情形有相同的结果，必有相同的因素，观察甲、丙，拉力的作用线与第　 　个圆周相切；猜想：“只要拉力的作用线与同一个圆周相切，拉力的大小都相等。
（4）这个猜想是否正确，需要用新的事实进行验证。如图丁测得F4=4牛，实验证实了这个猜想，这个相同的因素，我们用“　 　距离”来表达，给它一个名称叫“力臂”。
5．（2021九上·拱墅期末）如图所示，小乐用轻质杠杆（自身重力不计）、完全相同的铝块甲和乙、细线、密度值已知的A、B两种液体（密度分别为ρA、ρB），自制了可测量液体密度的杠杆密度计。分析下列步骤后，回答问题：

步骤一：杠杆两端分别挂甲和乙，将乙浸没于液体A，用细线将杠杆悬于O点，使杠杆水平平衡。在杠杆上挂甲处标记刻度ρA。
步骤二：将乙浸没于液体B，只将挂甲的细线向右移动，使杠杆再次水平平衡。在杠杆上挂甲处标记刻度ρB。
步骤三：通过等分法均匀画出其他刻度线。
（1）如图所示，杠杆水平平衡时，细线拉力大小关系是F1　 　F2（选填“＞”或“＜”）。
（2）A、B两液体的密度大小关系是ρA　 　ρB（选填“＞”或“＜”）。
（3）当液体密度变化时，若挂甲的细线到悬挂点O的距离Lx与液体密度ρx是一次函数关系，则该密度秤的刻度是均匀的。据此判断：小乐“通过等分法均匀画出其他刻度线”的方法是　 　（选填“合理的”或“不合理的”）。
6．（2022九下·舟山开学考）学习了杠杆知识后，小明和小亮利用身边的物品来探究杠杆的平衡条件。他所选择的器材有：铅笔、相同质量橡皮若干、细线、刻度尺等。

（1）他将细线大致系在铅笔的中间附近，适当调节细线系的位置使铅笔在水平位置平衡（如图甲）。保持系的位置不变。然后用细线绑定数量不等的橡皮挂在杠杆支点两侧，如图乙所示。若想调节铅笔使其在水平位置平衡，他应将左侧橡皮的细线向　 　（选填“左”或“右”）移动。
（2）在实验过程中，小明不小心将前端较长的铅笔芯弄断了，铅笔失去平衡。接下来小明直接调节悬挂橡皮的细线，使铅笔重新水平平衡后（如图丙），得到的 F1L1　 　（选填“等于”或“不等于”) F2L2 .
7．（2021·奉化模拟）在探究动滑轮使用特点的实验中，各小组按照图（a）中所示的实验器材进行实验，每个小组的实验器材都相同（摩擦力可忽略不计）。

甲小组按照实验要求在滑轮上挂上钩码，竖直向上拉弹簧测力计，
每次都匀速提起钩码，如图（a）所示。乙、丙两个小组的同学
实验时，没有注意按照要求规范操作，他们斜向上拉弹簧测力计，
匀速提起钩码，实验情况分别如图（b）、（c）所示。
各小组的实验数据记录在表格中：
表一（甲小组）
表二（乙小组）
表三（丙小组）
实验序号
物体的重力（牛）
弹簧测力计的示数（牛）
实验序号
物体的重力（牛）
弹簧测力计的示数（牛）
实验序号
物体的重力（牛）
弹簧测力计的示数（牛）
1
1.0
0.6
4
1.0
0.7
7
1.0
0.8
2
2.0
1.1
5
2.0
1.3
8
2.0
1.6
3
3.0
1.6
6
3.0
1.8
9
3.0
2.3
（1）甲小组同学分析比较了实验序号1、2、3的数据和相关条件，得出动滑轮使用特点的初步结论是：使用动滑轮匀速提起重物，　 　。
（2）同学们查阅相关资料得知：若不计动滑轮自身的重力，使用动滑轮匀速提升重物时，可以省一半力…由此，他们分析了表一中的实验数据，求出滑轮的重力为　 　牛。
（3）分析比较实验序号1、4、7（或2、5、8或3、6、9）的实验数据和相关条件，得出的初步结论是：　 　。
8．工农业生产中常用定滑轮、动滑轮或滑轮组来提升重物。某实验小组进行了以下实验：
（1）研究定滑轮特点时，做的实验如甲图所示，据此可知：使用定滑轮　 　。

（2）在探究“动滑轮能否省力”的实验中，测得动滑轮重G0=1N，使用如图乙所示的实验装置。改变动滑轮所挂钩码的数量，测量每次所挂钩码的重力G，获得动滑轮匀速上升时弹簧测力计的示数F，得到下表所示数据： 分析表中各次实验的F/(G+G0)值，如果忽略摩擦、绳重及实验误差，可以发现：F/(G+G0)的值接近等于　 　，即可得出使用动滑轮能省一半力的结论。

（3）为了探究滑轮组提升重物能否省功，请利用图丙的装置和刻度尺设计实验方案并分析结论。

实验步骤：　 　
结论：当　 　时，即证明滑轮组提升重物时不能省功。