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【素养测评】人教鄂教版科学四年级下册
第六单元《简易计时器》测试提升卷
题号 一 二 三 四 五 六 总分
得分
一、知识广场（每空 1 分，共 10 分）
1. 日晷通常由（ ）和（ ）组成，晷针的影子投在（ ）上指示时间。
2. 水钟计时的关键在于（ ），早期水钟漏水速度不够稳定，主要原因是（ ）。
3. 沙漏计时的精度与（ ）、（ ）以及沙漏瓶的形状等因素有关。
4. 摆的等时性是指在相同条件下，摆摆动一次所需的时间（ ）。
5. 现代高精度计时工具如原子钟，是利用（ ）来精确计时的。
6. 在制作简易水钟时，若要提高计时精度，可通过（ ）等方法使水滴滴落更均匀。
二、判断大厅（每题 2 分，共 20 分）
1. 日晷在任何地理位置都能准确计时。（ ）
2. 水钟的容器形状对水滴滴落速度没有影响。（ ）
3. 沙漏中的沙子颗粒大小不均匀不会影响计时精度。（ ）
4. 摆的摆动幅度越大，摆动一次所需时间越长。（ ）
5. 只要摆绳长度相同，不同摆锤的摆摆动快慢就相同。（ ）
6. 现代电子手表的计时精度完全不受环境因素影响。（ ）
7. 古代的计时工具虽然精度不高，但为现代计时技术发展提供了思路。（ ）
8. 改进后的水钟可以实现非常精确的计时，完全能满足现代科技对时间精度的要求。（ ）
9. 制作简易摆时，摆绳越粗，摆摆动得越慢。（ ）
10. 探究摆的摆动快慢与摆绳长度关系的实验中，只需改变摆绳长度，其他因素无需控制。（ ）
三、选择乐园（每题 2 分，共 30 分）
1. 下列关于日晷的说法，错误的是（ ）。
A. 日晷是古代的一种计时工具
B. 赤道式日晷的晷面与地球赤道平行
C. 日晷在阴天也能准确计时
2. 水钟计时过程中，随着水位下降，水滴滴落速度通常会（ ）。
A. 变快 B. 变慢 C. 不变
3. 为了使沙漏计时更准确，下列做法错误的是（ ）。
A. 选用颗粒均匀的沙子
B. 确保沙漏瓶的瓶口大小合适
C. 随意选择沙漏瓶的形状
4. 摆摆动一次的时间只与（ ）有关。
A. 摆锤重量 B. 摆绳长度 C. 摆动幅度
5. 现代原子钟的计时精度可以达到（ ）。
A. 误差不超过1秒/年
B. 误差不超过1秒/百万年
C. 误差不超过1秒/千万年甚至更高精度
6. 在探究摆的摆动快慢与摆锤重量关系的实验中，需要保持不变的是（ ）。
A. 摆锤重量和摆动幅度
B. 摆绳长度和摆动幅度
C. 摆锤重量和摆绳长度
7. 以下计时工具中，受天气影响最大的是（ ）。
A. 日晷 B. 水钟 C. 沙漏
8. 制作受水型水钟时，为了让水滴滴落速度稳定，应该（ ）。
A. 不断加水，保持水位高度不变
B. 让水钟倾斜放置
C. 在瓶盖上扎多个孔
9. 摆锤从一侧最高点摆动到另一侧最高点，再摆回原位置，算摆动（ ）。
A. 一次 B. 两次 C. 三次
10. 古代的刻漏是一种（ ）。
A. 日晷 B. 水钟 C. 沙漏
11. 下列关于简易计时器的说法，正确的是（ ）。
A. 简易计时器的计时精度一定比现代计时工具低
B. 制作简易计时器对理解计时原理没有帮助
C. 不同类型的简易计时器工作原理可能不同
12. 要使摆摆动得更慢，应该（ ）。
A. 缩短摆绳长度 B. 增加摆锤重量 C. 增加摆绳长度
13. 日晷晷针的影子在晷盘上移动的方向是（ ）。
A. 顺时针 B. 逆时针 C. 因日晷类型而异
14. 下列哪种情况会影响水钟的计时精度（ ）。
A. 水温的变化 B. 水钟放置的位置 C. 水钟的颜色
15. 摆钟的发明主要是利用了（ ）的等时性原理。
A. 摆 B. 水钟 C. 沙漏
四、问题城堡（每题 4 分，共 20 分）
1. 请分析古代水钟计时不够准确的原因，并提出至少两种改进方法。
2. 阐述摆的摆动快慢与摆绳长度的关系，并说明如何通过实验验证。
3. 比较日晷、水钟和沙漏这三种古代计时工具的优缺点。
4. 现代高精度计时工具对我们的生活和科技发展有哪些重要意义？
5. 在制作简易沙漏时，如何保证其计时精度？请详细说明。
五、科学探究（8 分）
同学们想要探究摆的摆动快慢与摆动幅度的关系，设计了如下实验：
1. 准备一个摆（摆锤质量和摆绳长度固定）、铁架台、秒表。
2. 将摆固定在铁架台上，把摆锤拉到与竖直方向成30^{\circ}角的位置后释放，同时用秒表记录摆摆动30次所用的时间，重复测量3次，计算平均值。
3. 把摆锤拉到与竖直方向成60^{\circ}角的位置后释放，按照步骤2的方法记录摆摆动30次所用时间并计算平均值。
（1）这个实验的变量是什么？（2 分）
（2）在实验过程中，为保证实验结果的准确性，需要注意哪些事项？（至少写出两点，3 分）
（3）通过实验，可能会得出什么结论？（3 分）
六、拓展长廊（每题 6 分，共 12 分）
1. 查阅资料，了解现代生活中除原子钟外，还有哪些高精度计时工具，并简要介绍其工作原理及应用领域。
2. 假设你是一名古代计时工具设计师，要设计一款能在夜间和阴天使用的水钟，你会如何设计？请描述设计思路和关键要点。
答案及解析
一、知识广场
1. 晷针；晷盘；晷盘：日晷由这两部分构成，通过晷针影子在晷盘上位置指示时间。
2. 水的均匀流动；水位变化导致水压改变：水钟准确计时依赖水均匀流动，早期因水位降低水压减小，使漏水速度不稳定。
3. 沙子颗粒大小；沙子干燥程度：这两个因素与沙漏瓶形状都影响沙子流速，进而影响计时精度。
4. 相等：这是摆的重要特性，在相同条件下，无论摆动幅度如何，摆动一次时间相同。
5. 原子的特定振动频率：原子钟利用原子在特定能级间跃迁时的固定振动频率精确计时。
6. 控制水位高度、使用更细的滴孔：保持水位稳定和缩小滴孔能使水滴滴落更均匀，提高计时精度。
二、判断大厅
1. ×：日晷依靠太阳光照，不同地理位置太阳照射角度和时长不同，且阴天无阳光，不能准确计时。
2. ×：水钟容器形状影响水的流动路径和水压分布，会对水滴滴落速度产生影响。
3. ×：沙子颗粒不均匀会导致沙子流动速度不稳定，影响计时精度。
4. ×：摆的摆动快慢与摆动幅度无关，摆动一次所需时间主要取决于摆绳长度。
5. √：摆摆动快慢只与摆绳长度有关，摆绳长度相同，不同摆锤的摆摆动快慢相同。
6. ×：电子手表计时精度虽高，但温度、磁场等环境因素仍可能对其产生一定影响。
7. √：古代计时工具为现代计时技术发展提供了原理基础和设计思路。
8. ×：改进后的水钟计时精度有所提高，但与现代科技对时间精度要求相比，仍有差距。
9. ×：摆摆动快慢只与摆绳长度有关，与摆绳粗细无关。
10. ×：探究摆的摆动快慢与摆绳长度关系实验，需控制摆锤重量、摆动幅度等其他因素不变。
三、选择乐园
1. C：日晷依靠阳光，阴天无阳光无法准确计时，A、B 选项关于日晷的描述正确。
2. B：水钟水位下降，水压减小，水滴滴落速度变慢。
3. C：随意选择沙漏瓶形状可能改变沙子流动路径和速度，影响计时准确，A、B 选项做法可提高计时精度。
4. B：摆摆动一次时间只与摆绳长度有关，与摆锤重量和摆动幅度无关。
5. C：现代原子钟计时精度极高，误差不超过 1 秒/千万年甚至更高精度。
6. B：探究摆的摆动快慢与摆锤重量关系，要保持摆绳长度和摆动幅度不变，只改变摆锤重量。
7. A：日晷依赖阳光，受天气影响最大；水钟和沙漏受天气影响相对较小。
8. A：保持水位高度不变可稳定水压，使水滴滴落速度稳定；倾斜放置或扎多个孔会使水滴滴落不稳定。
9. A：摆锤从一侧最高点摆动到另一侧最高点，再摆回原位置为一次完整摆动。
10. B：刻漏是水钟的一种，通过水的流动计时。
11. C：不同类型简易计时器工作原理不同，其计时精度不一定比现代计时工具低，制作简易计时器有助于理解计时原理。
12. C：增加摆绳长度，摆摆动得更慢；缩短摆绳长度，摆摆动加快；摆锤重量不影响摆动快慢。
13. A：一般情况下，日晷晷针影子在晷盘上顺时针移动。
14. A：水温变化影响水的黏性，进而影响水钟计时精度；水钟放置位置和颜色通常不影响计时精度。
15. A：摆钟利用摆的等时性原理工作。
四、问题城堡
1. 答案：古代水钟计时不够准确的原因：
水位变化影响水压：随着水的流出，水位降低，水压减小，水滴滴落速度变慢，导致计时不准确。
容器形状影响水流：容器形状不规则或不合理，会使水的流动状态不稳定，影响水滴滴落速度。
水质和水温影响：水中杂质或水温变化，会改变水的黏性，进而影响水的流动速度。
改进方法：
稳定水位：设计一个补给装置，如在水钟上方设置一个漏斗，通过控制漏斗加水速度，使水钟内水位保持恒定，从而保证水滴滴落速度均匀。
优化容器形状：选择规则的圆柱形容器，减少水流阻力和干扰，使水更平稳地流动。同时，合理设计滴孔位置和大小，保证水流稳定。
控制水质和水温：使用纯净水，并尽量保持水温恒定，减少因水质和水温变化对水滴滴落速度的影响。
解析：从水位、容器形状、水质和水温方面分析计时不准原因，对应提出稳定水位、优化容器形状、控制水质和水温的改进方法。
2. 答案：摆的摆动快慢与摆绳长度的关系是：摆绳长度越短，摆摆动得越快；摆绳长度越长，摆摆动得越慢。
实验验证方法：
实验材料：不同长度的绳子、相同质量的摆锤、铁架台、秒表。
实验步骤：
将铁架台固定好，用较短的绳子系住摆锤，悬挂在铁架台上。将摆锤拉到一定角度（如30^{\circ}）后释放，同时用秒表记录摆摆动30次所用的时间，重复测量3次，计算平均值。
更换为较长的绳子，保持摆锤质量和摆动角度不变，按照上述方法记录摆摆动30次所用时间并计算平均值。
实验结论：比较两次实验中摆摆动30次所用时间的平均值，若短绳摆动30次所用时间短，则说明摆绳越短，摆摆动越快；反之，摆绳越长，摆摆动越慢。
解析：先阐述关系，再从实验材料、步骤、结论说明验证方法，运用控制变量法保证实验科学性。
3. 答案：
日晷：
优点：利用自然现象，无需额外动力，结构相对简单，能直观显示时间，且具有一定文化价值。
缺点：依赖阳光，阴天和夜间无法使用，不同地理位置需调整晷面角度，计时精度有限。
水钟：
优点：相对日晷，受天气影响较小，可在一定程度上连续计时。
缺点：漏水速度受水位、容器形状、水质等因素影响，计时不够准确，需要定期加水或排水。
沙漏：
优点：结构简单，携带方便，不受天气和温度影响，可在多种环境下使用。
缺点：沙子流动速度可能不稳定，计时精度较低，且沙子使用多次后可能磨损影响流速。
解析：分别从优缺点方面对日晷、水钟、沙漏进行比较，涵盖使用条件、计时精度、结构特点等。
4. 答案：现代高精度计时工具对生活和科技发展意义重大：
生活方面：
提高生活便利性：如手机、手表等高精度计时工具，让人们能准确安排日常活动，如上班、上学、约会等，提高生活效率。
保障交通运行：在航空、铁路等交通领域，高精度计时确保航班、列车准点运行，保障人们出行顺畅。
科技发展方面：
支持通信技术：在通信网络中，高精度计时保证数据传输的准确性和同步性，如 5G 网络的运行依赖精确时间同步。
助力科学研究：在天文学、物理学等科研领域，高精度计时用于观测天体运动、进行物理实验等，为科研提供精确时间基准。
推动航天事业：- 推动航天事业：航天任务中，精确计时对航天器的发射、轨道控制、通信等至关重要，确保航天活动的顺利进行。
解析：从生活便利性、交通保障阐述对生活的意义，从通信、科研、航天说明对科技发展的意义。
5. 答案：制作简易沙漏保证计时精度需做到：
选择合适沙子：选用颗粒大小均匀、质地坚硬且干燥的沙子。颗粒均匀可保证沙子流动速度稳定；质地坚硬防止沙子磨损；干燥避免沙子结块影响流动。
设计合理沙漏瓶：沙漏瓶形状应规则，如圆柱形，且瓶口大小适中、内壁光滑。规则形状利于沙子均匀流动，适中瓶口控制流速，光滑内壁减少阻力。
确保密封性：使用密封材料，如胶水，将沙漏瓶连接部位密封好，防止沙子泄漏，影响计时精度。
进行校准测试：制作完成后，多次测试沙子流完时间。若时间不准确，调整沙子量或瓶口大小，直至沙漏计时符合预期精度要求。
解析：从沙子选择、沙漏瓶设计、密封性、校准测试方面说明保证计时精度的方法。
五、科学探究
（1）答案：这个实验的变量是摆的摆动幅度。
解析：在该实验中，同学们旨在探究摆的摆动快慢与摆动幅度的关系。为了准确探究这一关系，除了摆动幅度外，摆锤质量、摆绳长度等其他可能影响摆摆动快慢的因素都保持固定不变，仅改变摆锤拉开的角度，即摆动幅度，所以摆动幅度是此实验的变量。
（2）答案：在实验过程中，为保证实验结果的准确性，需注意以下事项：
严格控制其他变量：务必保证摆锤质量和摆绳长度在整个实验过程中绝对不变。因为摆锤质量和摆绳长度同样会对摆的摆动快慢产生影响，如果这两个因素发生变化，就无法确定是摆动幅度还是其他因素导致了摆动快慢的改变，从而干扰实验结果的准确性。
精确测量摆动角度：使用专业的量角器来精确测量摆锤与竖直方向所成的角度，确保每次实验中的角度测量准确无误。角度测量的微小误差可能会导致实验结果出现偏差，影响对摆动幅度与摆动快慢关系的判断。
规范操作秒表：操作秒表时要保持动作的一致性和准确性。在释放摆锤的同时迅速启动秒表，当摆锤完成规定的摆动次数时，要及时且精准地停止秒表。任何因操作秒表不规范而产生的时间记录误差，都可能影响实验数据的可靠性。
保持实验环境稳定：尽量维持实验环境的一致性，减少外界因素的干扰。例如，避免在有强风或振动较大的地方进行实验，强风可能改变摆的摆动轨迹，振动可能影响摆的稳定性，进而对实验结果产生不利影响。
解析：从控制变量、精确测量、规范操作以及稳定环境等方面，阐述保证实验结果准确性的关键要点。这些要点都是基于实验目的和摆的摆动特性提出的，任何一个环节出现问题，都可能导致实验结果不准确。
（3）答案：通过实验，可能会得出的结论是：在摆锤质量和摆绳长度固定的情况下，摆的摆动快慢与摆动幅度无关。即无论将摆锤拉到与竖直方向成30^{\circ}还是60^{\circ}角的位置释放，摆摆动30次所用时间的平均值大致相同，说明摆的摆动快慢不受摆动幅度大小的影响。
解析：根据摆的等时性原理，在理想状态下，只要摆锤质量和摆绳长度不变，摆的摆动快慢就不会因摆动幅度的改变而改变。通过该实验，若严格控制其他因素，预期会得到摆动快慢与摆动幅度无关的结论。
六、拓展长廊
1. 答案：现代生活中除原子钟外，还有以下高精度计时工具：
石英晶体振荡器：
工作原理：石英晶体具有压电效应，当在石英晶体两端施加交变电场时，晶体会产生机械振动；反之，当晶体受到机械应力作用时，两端又会产生电场。利用石英晶体的这种特性，通过电路激励使其产生稳定的振动，其振动频率极为稳定。一般通过对石英晶体的切割方向、形状和尺寸进行精确控制，来获得特定的振动频率，常见的石英钟频率为32768Hz。电路将这种高频振动通过分频等处理，转化为秒信号，从而实现精确计时。
应用领域：广泛应用于各类电子设备中，如电子手表、时钟、计算机的时钟电路等。在电子手表中，小巧的石英晶体振荡器为手表提供精准的时间基准，使得手表计时误差极小；在计算机中，石英晶体振荡器为计算机的各个组件提供稳定的时钟信号，确保数据的准确传输和处理。
铷原子频率标准：
工作原理：基于铷原子的超精细能级跃迁特性。铷原子在特定频率的电磁波照射下，会在两个超精细能级之间发生跃迁。通过精确控制和检测这一跃迁过程，当外界电磁波频率与铷原子超精细能级跃迁频率一致时，会产生强烈的共振吸收现象。利用这一特性，通过电子电路锁定并跟踪这一频率，从而获得极为稳定的频率输出，以此实现高精度计时。
应用领域：常用于通信基站、导航系统等对时间精度要求较高的领域。在通信基站中，铷原子频率标准可为基站设备提供高精度的时间同步信号，确保不同基站之间信号传输的准确性和一致性，避免信号干扰和误差积累，提高通信质量；在导航系统中，如全球定位系统（GPS）的地面基站，使用铷原子频率标准来精确计时，有助于提高定位精度，使导航设备能够更准确地确定用户位置。
解析：分别介绍石英晶体振荡器和铷原子频率标准两种高精度计时工具，从其工作所基于的物理特性、具体实现精确计时的方式阐述工作原理，再结合常见的应用场景说明其在现代生活中的重要作用。
2. 答案：如果我是古代计时工具设计师，设计一款能在夜间和阴天使用的水钟，设计思路和关键要点如下：
设计思路：
动力系统：为解决夜间和阴天没有阳光作为动力的问题，考虑采用人力或重力驱动的方式来补充水源，以维持水钟的持续运行。例如，可以设置一个配重装置，通过滑轮和绳索与储水容器相连，利用配重的重力缓慢提升储水容器，使其持续为滴漏装置供水。
刻度标识：设计清晰、准确的刻度标识，以提高计时的精度。可以根据水滴滴落的速度和时间关系，在水钟的容器上进行精细刻度。同时，为了方便夜间读数，可以在刻度上涂抹荧光材料，或者在水钟旁边设置一个小型的油灯，并设计特殊的遮光罩，使灯光恰好照亮刻度，方便在夜间观察时间。
温度补偿：考虑到温度变化可能对水的黏性和流动速度产生影响，进而影响计时精度。可以采用一些简单的温度补偿措施，例如在水钟附近放置一个小型的温度敏感装置，根据温度变化来微调滴孔的大小或者调整储水容器的水位高度，以保证水滴滴落速度相对稳定。
关键要点：
稳定的水流控制：确保水滴滴落速度均匀且稳定是设计的关键。这需要精心设计滴漏装置的结构，选择合适的滴孔材料和大小，以及合理控制储水容器的水位高度。可以通过实验多次调整滴孔大小和储水容器的形状，找到最适合的参数，使水滴滴落速度在较长时间内保持一致。
结构坚固耐用：由于水钟需要持续运行，其结构必须坚固耐用，能够承受日常使用中的各种情况。选用质量较好的材料制作水钟的各个部件，确保连接处紧密不漏水，并且具有一定的抗震性能，以保证在不同环境下都能正常工作。
便于操作与维护：设计要考虑到使用者操作和维护的便利性。例如，储水容器应易于加水，滴漏装置应便于清理和更换，刻度标识应清晰易懂，方便使用者准确读取时间和进行日常维护。
解析：从动力系统、刻度标识、温度补偿等方面阐述设计思路，针对在夜间和阴天使用以及提高计时精度的需求提出解决方案；从水流控制、结构、操作维护等方面说明关键要点，确保设计的水钟能够稳定、准确地在各种环境下运行。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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