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13.小华、小明两位同学通过实验探究杠杆平衡的条件,所用实验器材有杠杆、弹簧测力计、钩码和支架等.他们分别在已调水平平衡的杠杆上施加动力F1、阻力F2并使杠杆在水平位置平衡,记录动力臂l1及阻力臂l2,小华、小明的操作情况分别如图25(a)、(b)所示,表一、表二为他们记录的实验数据.(设每个钩码重0.5N)
表一  小华同学
实验
序号
F1
(牛)
l1
(厘米)
F2
(牛)
l2
(厘米)
11881
23663
32882
表二  小明同学
实验
序号
F1
(牛)
l1
(厘米)
F2
(牛)
l2
(厘米)
41842
52844
645210

(1)分析比较实验序号1、2与3的数据及相关条件,小华得出结论:杠杆平衡的条件是F1+l1=F2+l2.请判断:小华的结论是错误的(选填“正确”或“错误”),依据是:不同的物理量不能相加.
(2)得出正确杠杆平衡的条件后,小华也欲用弹簧测力计和钩码进行实验,但跟小明的操作不同的是,他准备将弹簧测力计沿竖直方向作用在杠杆上的A点,而钩码的位置不变,如图25(c)所示.
请判断:他能使杠杆在水平位置平衡(选填“能”或“不能”).如果杠杆能平衡,写出需满足的条件;如果杠杆不能平衡,写出判断的理由.F1l1=F2l2
(3)在如图(d)所示的实验装置中,只有8个相同的钩码,杠杆上每格等距,当在A点挂4个钩码时,则怎样挂钩码可使杠杆在水平位置平衡?(设计两种方案)
答:①在第6个格处挂2个钩码;②在第4个格处挂3个钩码.

分析 (1)不同的物理量之间可以乘除,不能加减.
(2)杠杆的平衡条件是:F1L1=F2L2,据其进行分析;
(3)根据杠杆平衡条件F1L1=F2L2得:杠杆在水平位置平衡时:左边=4G×3L=12GL;右边也应等于12GL,据此分析.

解答 解:(1)动力是力,动力臂是长度,两个物理量不同,不能相加,所以小华的实验结论是错误的.
(2)由图c所示可知,将弹簧测力计竖直向上拉动杠杆,拉力与钩码重力对杠杆的作用效果相反(一个使杠杆逆时针转动,一个使杠杆顺时针转动)如果拉力满足满足F1l1=F2l2,可使杠杆在水平位置平衡.
(3)设一钩码重为G,一格为L,则杠杆在水平位置平衡时:左边=4G×3L=12GL;
右边=2G×6L=3G×4L=4G×3L=12GL,所以可以在第6个格处挂2个钩码,或在第4个格处挂3个钩码.
故答案为:(1)错误;不同的物理量不能相加;
(2)能;F1l1=F2l2
(3)①在第6个格处挂2个钩码;②在第4个格处挂3个钩码.

点评 当杠杆在水平位置平衡,并且力垂直作用在杠杆上,力臂等于支点和作用点之间的距离;当杠杆在水平位置平衡,力倾斜拉动杠杆时,力臂小于支点到作用点的距离.

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5.潜艇的“耳目”----声呐
潜艇最大的特点是它的隐蔽性,作战时需要长时间在水下潜航,这就决定它不能浮出水面使用雷达观察,而只能依靠声呐进行探测,所以声呐在潜艇上的重要性更为突出,被称为潜艇的“耳目”.
声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备,是水声学中应用广泛的一种重要装置.
声呐能够向水中发射声波,声波的频率大多在10kHz~30kHz之间,由于这种声波的频率较高,可以形成较指向性.声波在水中传播时,如果遇到潜艇、水雷、鱼群等目标,就会被反射回来,反射回来的声波被声呐接收,根据声信号往返时间可以确定目标的距离.
声呐发出声波碰到的目标如果是运动的,反射回来的声波(下称“回声”)的音调就会有所变化,它的变化规律是:如果回声的音调变高,说明目标正向声呐靠拢;如果回声的音调变低,说明目标远离声呐.
请回答以下问题:
(1)人耳能够听到声呐发出的声波的频率范围是10kHz~20kHz.
(2)①如果停在海水中的潜艇A发出的声波信号在10s内接收到经B潜艇反射回来的信号,且信号频率不变,潜艇B与潜艇A的距离s1是7500m.(设声波在海水中传播速度为1500m/s)
②停在海水中的潜艇A继续监控潜艇B,突然接到潜艇B反射回来的声波频率是变低的,且测出潜艇B的速度是20m/s,方向始终在潜艇A、B的连线上,经一分钟后潜艇B与潜艇A的距离s2为8700m.
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实验
次数
使用的
弹簧
被压缩后
弹簧的长度/cm
木块移动
的距离
弹簧A5S1
弹簧A8S2
弹簧B5S3
弹簧B8S4
(1)弹簧将小球弹开的过程中,弹簧的弹性势能转化成小球的动能.
(2)由于弹性势能的大小不便于用仪器直接测量,本实验是通过比较木块被推动的距离来判断弹簧的弹性势能大小.
(3)为了探究“猜想一”,可选用上表中①③或②④两次实验的数据进行比较分析.
(4)下面是探究猜想二的实验方案,请结合上表中的实验记录,将方案补充完整.
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3)压缩弹簧A,使其长度为8cm,放手后小球被弹出,推动木块移动距离S2
4)比较分析实验数据S1和S2,若S1与S2不相等,则猜想2正确(选填“正确”或“不正确”).

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