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我国古代对浮力的认识及应用

  大约在殷商时期,我们的祖先就开始认识和应用浮力了,是世界上应用浮力最早的国家之一.当时是利用较大的独木,从中间挖成槽形,放在江河的水中漂流,称为独木舟.人们利用它来载人和装运收获的猎物.后来又发展到用木板做成船体,在江河中代替独木舟航行.随着生产和技术的发展,以后各个朝代对船的形状和结构又进行了多次改进,使木船不仅能在内河、湖泊中航行,还制造了能适用于大海、大洋中航行的大型船舶.明朝时的郑和出使西洋用的大型“宝船”船队,其船体在结构上合理、精致、美观,都达到了古代造船工艺史上的巅峰.这一伟大的成果,是古代造船史上非常光辉的业绩,是我们祖先对世界航海事业作出的伟大贡献.

  浮桥是我国古代历史上应用浮力的伟大奇迹,在公元前8世纪周朝时就得到了广泛的应用.在以后的年代,发展到不仅可以在小河上架起浮桥,而且像黄河这样的大河上也架起了浮桥.相传在11世纪初,在蒲州附近潼关以北的黄河上曾架起一座很大的浮桥,浮桥的缆绳用8只铁牛系住,这些铁牛立于两岸,每只铁牛重数万斤.后来由于洪水泛滥,浮桥被冲垮,铁牛也沉入河中.如何把铁牛打捞起来,在当时的条件下,是比较困难的.和尚怀丙派人潜入水中,用铁索把铁牛和两只装满泥土的大船系在一起,然后再把船中的泥土除去,利用大船所受的浮力,把铁牛拉上来.

  利用物体的沉浮原理估测液体的密度,在我国宋、元时代已经开始.根据有关文献记载,密度的测定主要是和古代的制盐业密切联系的,即由于估测盐水的需要,发展了液体密度的测量技术,为晒盐业提供了条件.11世纪,姚宽在台州做官时,为了检查盐商是否舞弊,他首创了一种简单的估测盐水密度的方法.选用体积大体相同,而质量不同的莲子十粒,当把莲子放在盐水中时,如果这些浮沉子——莲子有5粒以上浮起,说明盐水是最浓的;如果有三四粒莲子浮起,说明此盐水是浓盐水;如果不足3粒莲子浮起,说明此盐水是稀盐水.到了元代,经进一步改进,制造了便于携带的简单装置.取四个莲子,分别用四种不同浓度的盐水浸泡,放在一个竹筒内,便成为简单的测定盐水浓度的装置.如果要测某种盐水的浓度,只要把待测盐水的一小部分装入筒内,观察各类莲子浮起的情况,便可以估测盐水的浓度.到了明代,测定盐水浓度的方法进一步简化,选一粒轻重合适的莲子,放在竹筒内,当把待测的盐水放入竹筒中时,如果莲子浮在水面上成横倒形,则盐水最浓;如果成垂直形,则盐水次浓;如果莲子沉而下浮,则盐水不浓.我国古代这种简单估测盐水浓度的方法,与现代密度计的原理相似,这说明我国古代对浮力的研究与应用已经相当深入了.

阅读后回答下列问题:

(1)我国古代为世界航海事业做出伟大贡献的著名人物是谁?

(2)和尚怀丙是采用什么办法打捞沉入河里的铁牛的?

(3)用你所学的知识解释我国明代估测盐水浓度的方法中所包含的科学道理.

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大气压发现的历史

  17世纪以前的哲学家都认为自然界不存在真空,即所谓“自然界厌恶真空”.对于抽水机能把水抽上来,认为是活塞上升后,水要立即填满活塞原来占据的空间,以阻止真空的形成.

  在17世纪中叶,著名意大利物理学家伽利略听到一个奇特的事实:一台抽水机至多能把水抽到10 m高,无论怎样改进抽水机,也不能把水抽得更高了.他想自然界害怕真空是有限度的,这个限度可以用水柱的高度量出来.不久他就去世了.对这个问题的研究由他的学生托里拆利继续进行.

  托里拆利预料,因为水银的密度大约是水的14倍,如果用水银代替水,水银升起的高度应该是水升起高度的1/14.托里拆利设计了用水银柱检验这个预想的方案.1643年他的学生做了这个试验,结果证明了他的预想是正确的.在托里拆利试验中,玻璃管内水银面的上方就是真空.可见自然界是可以存在真空的.管内的水银柱是被大气压支持着的.托里拆利试验不但揭示了大气压的存在,而且测出了大气压的值.

  托里拆利试验的消息传到法国,引起了科学家们的广泛兴趣.帕斯卡推论说:“如果水银柱是被大气压支持着的,那么在海拔较高的地方,水银柱应该较短”.1648年他的朋友沿多姆山山坡从山脚到山顶设立了若干观察站,每个站上装一个托里拆利气压计,结果发现水银柱的高度随高度的增加而减小,证明了帕斯卡推论的正确.

  同一时期,德国的科学家格里克也进行了大气压强的试验研究,他做了一个水气压计,水能升高到他住房的第三层,格里克认为水的上升是大气压的作用.通过长期的观察,他还发现水柱高度的变化与天气有关,1660年他根据一次气压的突然下降,预报了一场大的风暴.

根据文中的描述回答问题:

(1)一台抽水机至多能把水抽到10 m高,这10 m高的水柱是由什么支持着?

(2)如果用水银代替水,水银升起的高度应该是水升起高度的1/14.托里拆利得出这一结论的根据是什么?

(3)从文中可以发现有哪些因素影响大气压的值?

阅读与思考

阅读:生活经验一定可靠吗?

在2 000多年以前的古希腊,有一个很有名的哲学家——亚里士多德,他根据生活经验得出结论:“重的物体比轻的物体下落快.”这一结论在当时以及后来很长的时间里一直统治人们的思想,没有人怀疑过,直到伽利略的出现.伽利略通过自己亲身和反复实验,发现这一结论是错误的,为了让人们确信这一结论是错误的,他在意大利著名的比萨斜塔上做了一个让人难忘的实验:他让一大一小两个实心铁球同时从斜塔上落下,人们惊奇地发现两球几乎是同时着地的.看着人们迷惑不解的眼神,伽利略作了解释:人们平时看到的纸片比铁球落得慢,是因为空气阻力作用的结果.如果在真空中,没有空气的阻力,羽毛和铁球下落是一样快的.伽利略还有一段精彩的推理:如果重的物体落得快,轻的物体落得慢,那么将重的物体与轻的物体捆在一起,在重的物体带动下轻的物体加快下落,而轻的物体拉动重的物体减慢下落,因而捆在一起的两物体下落的快慢应介于重、轻两物体单独下落的快慢之间.换一种角度思考,两个物体捆在一起应比任何一个物体都重,它下落应比任何一个都快.两个结果相互矛盾.

回答:

(1)伽利略为什么会推理出两个相互矛盾的结果?

(2)如果中国宇航员登上月球,在月球上做羽毛和铁球同时从同一高度下落的实验,你猜想会有什么结果?

(3)伽利略怀疑前人的结论是有充分理由和依据的,这个理由和依据是什么?

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