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【素養測評】人教鄂教版科學四年級下冊
第六單元《簡易計時器》測試提升卷
題號 一 二 三 四 五 六 總分
得分
一、知識廣場（每空 1 分，共 10 分）
1. 日晷通常由（ ）和（ ）組成，晷針的影子投在（ ）上指示時間。
2. 水鐘計時的關鍵在于（ ），早期水鐘漏水速度不夠穩定，主要原因是（ ）。
3. 沙漏計時的精度與（ ）、（ ）以及沙漏瓶的形狀等因素有關。
4. 擺的等時性是指在相同條件下，擺擺動一次所需的時間（ ）。
5. 現代高精度計時工具如原子鐘，是利用（ ）來精確計時的。
6. 在制作簡易水鐘時，若要提高計時精度，可通過（ ）等方法使水滴滴落更均勻。
二、判斷大廳（每題 2 分，共 20 分）
1. 日晷在任何地理位置都能準確計時。（ ）
2. 水鐘的容器形狀對水滴滴落速度沒有影響。（ ）
3. 沙漏中的沙子顆粒大小不均勻不會影響計時精度。（ ）
4. 擺的擺動幅度越大，擺動一次所需時間越長。（ ）
5. 只要擺繩長度相同，不同擺錘的擺擺動快慢就相同。（ ）
6. 現代電子手表的計時精度完全不受環境因素影響。（ ）
7. 古代的計時工具雖然精度不高，但為現代計時技術發展提供了思路。（ ）
8. 改進后的水鐘可以實現非常精確的計時，完全能滿足現代科技對時間精度的要求。（ ）
9. 制作簡易擺時，擺繩越粗，擺擺動得越慢。（ ）
10. 探究擺的擺動快慢與擺繩長度關系的實驗中，只需改變擺繩長度，其他因素無需控制。（ ）
三、選擇樂園（每題 2 分，共 30 分）
1. 下列關于日晷的說法，錯誤的是（ ）。
A. 日晷是古代的一種計時工具
B. 赤道式日晷的晷面與地球赤道平行
C. 日晷在陰天也能準確計時
2. 水鐘計時過程中，隨著水位下降，水滴滴落速度通常會（ ）。
A. 變快 B. 變慢 C. 不變
3. 為了使沙漏計時更準確，下列做法錯誤的是（ ）。
A. 選用顆粒均勻的沙子
B. 確保沙漏瓶的瓶口大小合適
C. 隨意選擇沙漏瓶的形狀
4. 擺擺動一次的時間只與（ ）有關。
A. 擺錘重量 B. 擺繩長度 C. 擺動幅度
5. 現代原子鐘的計時精度可以達到（ ）。
A. 誤差不超過1秒/年
B. 誤差不超過1秒/百萬年
C. 誤差不超過1秒/千萬年甚至更高精度
6. 在探究擺的擺動快慢與擺錘重量關系的實驗中，需要保持不變的是（ ）。
A. 擺錘重量和擺動幅度
B. 擺繩長度和擺動幅度
C. 擺錘重量和擺繩長度
7. 以下計時工具中，受天氣影響最大的是（ ）。
A. 日晷 B. 水鐘 C. 沙漏
8. 制作受水型水鐘時，為了讓水滴滴落速度穩定，應該（ ）。
A. 不斷加水，保持水位高度不變
B. 讓水鐘傾斜放置
C. 在瓶蓋上扎多個孔
9. 擺錘從一側最高點擺動到另一側最高點，再擺回原位置，算擺動（ ）。
A. 一次 B. 兩次 C. 三次
10. 古代的刻漏是一種（ ）。
A. 日晷 B. 水鐘 C. 沙漏
11. 下列關于簡易計時器的說法，正確的是（ ）。
A. 簡易計時器的計時精度一定比現代計時工具低
B. 制作簡易計時器對理解計時原理沒有幫助
C. 不同類型的簡易計時器工作原理可能不同
12. 要使擺擺動得更慢，應該（ ）。
A. 縮短擺繩長度 B. 增加擺錘重量 C. 增加擺繩長度
13. 日晷晷針的影子在晷盤上移動的方向是（ ）。
A. 順時針 B. 逆時針 C. 因日晷類型而異
14. 下列哪種情況會影響水鐘的計時精度（ ）。
A. 水溫的變化 B. 水鐘放置的位置 C. 水鐘的顏色
15. 擺鐘的發明主要是利用了（ ）的等時性原理。
A. 擺 B. 水鐘 C. 沙漏
四、問題城堡（每題 4 分，共 20 分）
1. 請分析古代水鐘計時不夠準確的原因，并提出至少兩種改進方法。
2. 闡述擺的擺動快慢與擺繩長度的關系，并說明如何通過實驗驗證。
3. 比較日晷、水鐘和沙漏這三種古代計時工具的優缺點。
4. 現代高精度計時工具對我們的生活和科技發展有哪些重要意義？
5. 在制作簡易沙漏時，如何保證其計時精度？請詳細說明。
五、科學探究（8 分）
同學們想要探究擺的擺動快慢與擺動幅度的關系，設計了如下實驗：
1. 準備一個擺（擺錘質量和擺繩長度固定）、鐵架臺、秒表。
2. 將擺固定在鐵架臺上，把擺錘拉到與豎直方向成30^{\circ}角的位置后釋放，同時用秒表記錄擺擺動30次所用的時間，重復測量3次，計算平均值。
3. 把擺錘拉到與豎直方向成60^{\circ}角的位置后釋放，按照步驟2的方法記錄擺擺動30次所用時間并計算平均值。
（1）這個實驗的變量是什么？（2 分）
（2）在實驗過程中，為保證實驗結果的準確性，需要注意哪些事項？（至少寫出兩點，3 分）
（3）通過實驗，可能會得出什么結論？（3 分）
六、拓展長廊（每題 6 分，共 12 分）
1. 查閱資料，了解現代生活中除原子鐘外，還有哪些高精度計時工具，并簡要介紹其工作原理及應用領域。
2. 假設你是一名古代計時工具設計師，要設計一款能在夜間和陰天使用的水鐘，你會如何設計？請描述設計思路和關鍵要點。
答案及解析
一、知識廣場
1. 晷針；晷盤；晷盤：日晷由這兩部分構成，通過晷針影子在晷盤上位置指示時間。
2. 水的均勻流動；水位變化導致水壓改變：水鐘準確計時依賴水均勻流動，早期因水位降低水壓減小，使漏水速度不穩定。
3. 沙子顆粒大小；沙子干燥程度：這兩個因素與沙漏瓶形狀都影響沙子流速，進而影響計時精度。
4. 相等：這是擺的重要特性，在相同條件下，無論擺動幅度如何，擺動一次時間相同。
5. 原子的特定振動頻率：原子鐘利用原子在特定能級間躍遷時的固定振動頻率精確計時。
6. 控制水位高度、使用更細的滴孔：保持水位穩定和縮小滴孔能使水滴滴落更均勻，提高計時精度。
二、判斷大廳
1. ×：日晷依靠太陽光照，不同地理位置太陽照射角度和時長不同，且陰天無陽光，不能準確計時。
2. ×：水鐘容器形狀影響水的流動路徑和水壓分布，會對水滴滴落速度產生影響。
3. ×：沙子顆粒不均勻會導致沙子流動速度不穩定，影響計時精度。
4. ×：擺的擺動快慢與擺動幅度無關，擺動一次所需時間主要取決于擺繩長度。
5. √：擺擺動快慢只與擺繩長度有關，擺繩長度相同，不同擺錘的擺擺動快慢相同。
6. ×：電子手表計時精度雖高，但溫度、磁場等環境因素仍可能對其產生一定影響。
7. √：古代計時工具為現代計時技術發展提供了原理基礎和設計思路。
8. ×：改進后的水鐘計時精度有所提高，但與現代科技對時間精度要求相比，仍有差距。
9. ×：擺擺動快慢只與擺繩長度有關，與擺繩粗細無關。
10. ×：探究擺的擺動快慢與擺繩長度關系實驗，需控制擺錘重量、擺動幅度等其他因素不變。
三、選擇樂園
1. C：日晷依靠陽光，陰天無陽光無法準確計時，A、B 選項關于日晷的描述正確。
2. B：水鐘水位下降，水壓減小，水滴滴落速度變慢。
3. C：隨意選擇沙漏瓶形狀可能改變沙子流動路徑和速度，影響計時準確，A、B 選項做法可提高計時精度。
4. B：擺擺動一次時間只與擺繩長度有關，與擺錘重量和擺動幅度無關。
5. C：現代原子鐘計時精度極高，誤差不超過 1 秒/千萬年甚至更高精度。
6. B：探究擺的擺動快慢與擺錘重量關系，要保持擺繩長度和擺動幅度不變，只改變擺錘重量。
7. A：日晷依賴陽光，受天氣影響最大；水鐘和沙漏受天氣影響相對較小。
8. A：保持水位高度不變可穩定水壓，使水滴滴落速度穩定；傾斜放置或扎多個孔會使水滴滴落不穩定。
9. A：擺錘從一側最高點擺動到另一側最高點，再擺回原位置為一次完整擺動。
10. B：刻漏是水鐘的一種，通過水的流動計時。
11. C：不同類型簡易計時器工作原理不同，其計時精度不一定比現代計時工具低，制作簡易計時器有助于理解計時原理。
12. C：增加擺繩長度，擺擺動得更慢；縮短擺繩長度，擺擺動加快；擺錘重量不影響擺動快慢。
13. A：一般情況下，日晷晷針影子在晷盤上順時針移動。
14. A：水溫變化影響水的黏性，進而影響水鐘計時精度；水鐘放置位置和顏色通常不影響計時精度。
15. A：擺鐘利用擺的等時性原理工作。
四、問題城堡
1. 答案：古代水鐘計時不夠準確的原因：
水位變化影響水壓：隨著水的流出，水位降低，水壓減小，水滴滴落速度變慢，導致計時不準確。
容器形狀影響水流：容器形狀不規則或不合理，會使水的流動狀態不穩定，影響水滴滴落速度。
水質和水溫影響：水中雜質或水溫變化，會改變水的黏性，進而影響水的流動速度。
改進方法：
穩定水位：設計一個補給裝置，如在水鐘上方設置一個漏斗，通過控制漏斗加水速度，使水鐘內水位保持恒定，從而保證水滴滴落速度均勻。
優化容器形狀：選擇規則的圓柱形容器，減少水流阻力和干擾，使水更平穩地流動。同時，合理設計滴孔位置和大小，保證水流穩定。
控制水質和水溫：使用純凈水，并盡量保持水溫恒定，減少因水質和水溫變化對水滴滴落速度的影響。
解析：從水位、容器形狀、水質和水溫方面分析計時不準原因，對應提出穩定水位、優化容器形狀、控制水質和水溫的改進方法。
2. 答案：擺的擺動快慢與擺繩長度的關系是：擺繩長度越短，擺擺動得越快；擺繩長度越長，擺擺動得越慢。
實驗驗證方法：
實驗材料：不同長度的繩子、相同質量的擺錘、鐵架臺、秒表。
實驗步驟：
將鐵架臺固定好，用較短的繩子系住擺錘，懸掛在鐵架臺上。將擺錘拉到一定角度（如30^{\circ}）后釋放，同時用秒表記錄擺擺動30次所用的時間，重復測量3次，計算平均值。
更換為較長的繩子，保持擺錘質量和擺動角度不變，按照上述方法記錄擺擺動30次所用時間并計算平均值。
實驗結論：比較兩次實驗中擺擺動30次所用時間的平均值，若短繩擺動30次所用時間短，則說明擺繩越短，擺擺動越快；反之，擺繩越長，擺擺動越慢。
解析：先闡述關系，再從實驗材料、步驟、結論說明驗證方法，運用控制變量法保證實驗科學性。
3. 答案：
日晷：
優點：利用自然現象，無需額外動力，結構相對簡單，能直觀顯示時間，且具有一定文化價值。
缺點：依賴陽光，陰天和夜間無法使用，不同地理位置需調整晷面角度，計時精度有限。
水鐘：
優點：相對日晷，受天氣影響較小，可在一定程度上連續計時。
缺點：漏水速度受水位、容器形狀、水質等因素影響，計時不夠準確，需要定期加水或排水。
沙漏：
優點：結構簡單，攜帶方便，不受天氣和溫度影響，可在多種環境下使用。
缺點：沙子流動速度可能不穩定，計時精度較低，且沙子使用多次后可能磨損影響流速。
解析：分別從優缺點方面對日晷、水鐘、沙漏進行比較，涵蓋使用條件、計時精度、結構特點等。
4. 答案：現代高精度計時工具對生活和科技發展意義重大：
生活方面：
提高生活便利性：如手機、手表等高精度計時工具，讓人們能準確安排日常活動，如上班、上學、約會等，提高生活效率。
保障交通運行：在航空、鐵路等交通領域，高精度計時確保航班、列車準點運行，保障人們出行順暢。
科技發展方面：
支持通信技術：在通信網絡中，高精度計時保證數據傳輸的準確性和同步性，如 5G 網絡的運行依賴精確時間同步。
助力科學研究：在天文學、物理學等科研領域，高精度計時用于觀測天體運動、進行物理實驗等，為科研提供精確時間基準。
推動航天事業：- 推動航天事業：航天任務中，精確計時對航天器的發射、軌道控制、通信等至關重要，確保航天活動的順利進行。
解析：從生活便利性、交通保障闡述對生活的意義，從通信、科研、航天說明對科技發展的意義。
5. 答案：制作簡易沙漏保證計時精度需做到：
選擇合適沙子：選用顆粒大小均勻、質地堅硬且干燥的沙子。顆粒均勻可保證沙子流動速度穩定；質地堅硬防止沙子磨損；干燥避免沙子結塊影響流動。
設計合理沙漏瓶：沙漏瓶形狀應規則，如圓柱形，且瓶口大小適中、內壁光滑。規則形狀利于沙子均勻流動，適中瓶口控制流速，光滑內壁減少阻力。
確保密封性：使用密封材料，如膠水，將沙漏瓶連接部位密封好，防止沙子泄漏，影響計時精度。
進行校準測試：制作完成后，多次測試沙子流完時間。若時間不準確，調整沙子量或瓶口大小，直至沙漏計時符合預期精度要求。
解析：從沙子選擇、沙漏瓶設計、密封性、校準測試方面說明保證計時精度的方法。
五、科學探究
（1）答案：這個實驗的變量是擺的擺動幅度。
解析：在該實驗中，同學們旨在探究擺的擺動快慢與擺動幅度的關系。為了準確探究這一關系，除了擺動幅度外，擺錘質量、擺繩長度等其他可能影響擺擺動快慢的因素都保持固定不變，僅改變擺錘拉開的角度，即擺動幅度，所以擺動幅度是此實驗的變量。
（2）答案：在實驗過程中，為保證實驗結果的準確性，需注意以下事項：
嚴格控制其他變量：務必保證擺錘質量和擺繩長度在整個實驗過程中絕對不變。因為擺錘質量和擺繩長度同樣會對擺的擺動快慢產生影響，如果這兩個因素發生變化，就無法確定是擺動幅度還是其他因素導致了擺動快慢的改變，從而干擾實驗結果的準確性。
精確測量擺動角度：使用專業的量角器來精確測量擺錘與豎直方向所成的角度，確保每次實驗中的角度測量準確無誤。角度測量的微小誤差可能會導致實驗結果出現偏差，影響對擺動幅度與擺動快慢關系的判斷。
規范操作秒表：操作秒表時要保持動作的一致性和準確性。在釋放擺錘的同時迅速啟動秒表，當擺錘完成規定的擺動次數時，要及時且精準地停止秒表。任何因操作秒表不規范而產生的時間記錄誤差，都可能影響實驗數據的可靠性。
保持實驗環境穩定：盡量維持實驗環境的一致性，減少外界因素的干擾。例如，避免在有強風或振動較大的地方進行實驗，強風可能改變擺的擺動軌跡，振動可能影響擺的穩定性，進而對實驗結果產生不利影響。
解析：從控制變量、精確測量、規范操作以及穩定環境等方面，闡述保證實驗結果準確性的關鍵要點。這些要點都是基于實驗目的和擺的擺動特性提出的，任何一個環節出現問題，都可能導致實驗結果不準確。
（3）答案：通過實驗，可能會得出的結論是：在擺錘質量和擺繩長度固定的情況下，擺的擺動快慢與擺動幅度無關。即無論將擺錘拉到與豎直方向成30^{\circ}還是60^{\circ}角的位置釋放，擺擺動30次所用時間的平均值大致相同，說明擺的擺動快慢不受擺動幅度大小的影響。
解析：根據擺的等時性原理，在理想狀態下，只要擺錘質量和擺繩長度不變，擺的擺動快慢就不會因擺動幅度的改變而改變。通過該實驗，若嚴格控制其他因素，預期會得到擺動快慢與擺動幅度無關的結論。
六、拓展長廊
1. 答案：現代生活中除原子鐘外，還有以下高精度計時工具：
石英晶體振蕩器：
工作原理：石英晶體具有壓電效應，當在石英晶體兩端施加交變電場時，晶體會產生機械振動；反之，當晶體受到機械應力作用時，兩端又會產生電場。利用石英晶體的這種特性，通過電路激勵使其產生穩定的振動，其振動頻率極為穩定。一般通過對石英晶體的切割方向、形狀和尺寸進行精確控制，來獲得特定的振動頻率，常見的石英鐘頻率為32768Hz。電路將這種高頻振動通過分頻等處理，轉化為秒信號，從而實現精確計時。
應用領域：廣泛應用于各類電子設備中，如電子手表、時鐘、計算機的時鐘電路等。在電子手表中，小巧的石英晶體振蕩器為手表提供精準的時間基準，使得手表計時誤差極小；在計算機中，石英晶體振蕩器為計算機的各個組件提供穩定的時鐘信號，確保數據的準確傳輸和處理。
銣原子頻率標準：
工作原理：基于銣原子的超精細能級躍遷特性。銣原子在特定頻率的電磁波照射下，會在兩個超精細能級之間發生躍遷。通過精確控制和檢測這一躍遷過程，當外界電磁波頻率與銣原子超精細能級躍遷頻率一致時，會產生強烈的共振吸收現象。利用這一特性，通過電子電路鎖定并跟蹤這一頻率，從而獲得極為穩定的頻率輸出，以此實現高精度計時。
應用領域：常用于通信基站、導航系統等對時間精度要求較高的領域。在通信基站中，銣原子頻率標準可為基站設備提供高精度的時間同步信號，確保不同基站之間信號傳輸的準確性和一致性，避免信號干擾和誤差積累，提高通信質量；在導航系統中，如全球定位系統（GPS）的地面基站，使用銣原子頻率標準來精確計時，有助于提高定位精度，使導航設備能夠更準確地確定用戶位置。
解析：分別介紹石英晶體振蕩器和銣原子頻率標準兩種高精度計時工具，從其工作所基于的物理特性、具體實現精確計時的方式闡述工作原理，再結合常見的應用場景說明其在現代生活中的重要作用。
2. 答案：如果我是古代計時工具設計師，設計一款能在夜間和陰天使用的水鐘，設計思路和關鍵要點如下：
設計思路：
動力系統：為解決夜間和陰天沒有陽光作為動力的問題，考慮采用人力或重力驅動的方式來補充水源，以維持水鐘的持續運行。例如，可以設置一個配重裝置，通過滑輪和繩索與儲水容器相連，利用配重的重力緩慢提升儲水容器，使其持續為滴漏裝置供水。
刻度標識：設計清晰、準確的刻度標識，以提高計時的精度。可以根據水滴滴落的速度和時間關系，在水鐘的容器上進行精細刻度。同時，為了方便夜間讀數，可以在刻度上涂抹熒光材料，或者在水鐘旁邊設置一個小型的油燈，并設計特殊的遮光罩，使燈光恰好照亮刻度，方便在夜間觀察時間。
溫度補償：考慮到溫度變化可能對水的黏性和流動速度產生影響，進而影響計時精度。可以采用一些簡單的溫度補償措施，例如在水鐘附近放置一個小型的溫度敏感裝置，根據溫度變化來微調滴孔的大小或者調整儲水容器的水位高度，以保證水滴滴落速度相對穩定。
關鍵要點：
穩定的水流控制：確保水滴滴落速度均勻且穩定是設計的關鍵。這需要精心設計滴漏裝置的結構，選擇合適的滴孔材料和大小，以及合理控制儲水容器的水位高度。可以通過實驗多次調整滴孔大小和儲水容器的形狀，找到最適合的參數，使水滴滴落速度在較長時間內保持一致。
結構堅固耐用：由于水鐘需要持續運行，其結構必須堅固耐用，能夠承受日常使用中的各種情況。選用質量較好的材料制作水鐘的各個部件，確保連接處緊密不漏水，并且具有一定的抗震性能，以保證在不同環境下都能正常工作。
便于操作與維護：設計要考慮到使用者操作和維護的便利性。例如，儲水容器應易于加水，滴漏裝置應便于清理和更換，刻度標識應清晰易懂，方便使用者準確讀取時間和進行日常維護。
解析：從動力系統、刻度標識、溫度補償等方面闡述設計思路，針對在夜間和陰天使用以及提高計時精度的需求提出解決方案；從水流控制、結構、操作維護等方面說明關鍵要點，確保設計的水鐘能夠穩定、準確地在各種環境下運行。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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