影響比面的因素油層物理模擬實驗裝置

A. 在探究「摩擦力的大小與什麼因素有關」實驗中，小華同學根據自己推箱子時，箱子越重，推起來越費力，提出

（1）小輝提出了「影響摩擦力大小的因素可能與接觸面的粗糙程度有關」的猜想，探究滑動摩擦力跟接觸面粗糙程度關系時，控制壓力大小不變．採用乙丙兩圖．
（2）如表格數據得，小華實驗得出：在接觸面粗糙程度相同時，壓力越大，摩擦力越大．
（3）實驗過程中，彈簧測力計顯示拉力大小，要使摩擦力等於拉力，摩擦力和拉力是一對平衡力，木塊要進行勻速直線運動．
（4）探究摩擦力跟接觸面積的關系時，只控制接觸面粗糙程度不變，沒有控制壓力大小不變，實驗結論是不科學的．
故答案為：（1）乙丙；（2）接觸面粗糙程度相同時，壓力越大，摩擦力越大；（3）勻速直線運動；摩擦力和拉力是平衡力；（4）沒有控制壓力大小不變．

B. 物理沉積模擬研究方法與步驟

對湖盆沉積砂體的形成與演變依據一定的科學准則對碎屑沉積砂體的形成與演變進行模擬是碎屑岩沉積學發展的重要邊緣分支學科，也是研究碎屑沉積體系分布的一條重要途徑。物理模擬研究就是將自然界真實的碎屑沉積體系從空間尺寸及時間尺度上都大大縮小，並抽取控制體系發展的主要因素，建立實驗模型與原型之間應滿足的對應量的相似關系。這種相似關系建立的基礎乃是一些基本的物理定律。如質量、動量和能量守恆定律等。

1.物理模擬研究的基本步驟

現在看來，碎屑沉積模擬一般可分為物理模擬和數值模擬兩個方面。物理模擬是數值模擬的基礎，可以驗證數值模擬的正確性；數值模擬反過來可以有效地指導物理模擬，使物理模擬具有一定的前瞻性。應當說，物理模擬與數值模擬相輔相成，對實際問題的解決可以起到相互促進的作用。

物理模擬是對自然界中的物理過程在室內進行模擬，其發展歷史已逾百年，在水文工程及河流地貌學上應用較廣，已經初步建立了一套理論基礎和實驗方法。至於開展碎屑沉積砂體形成過程及演變規律的物理模擬，還是近二十年的事情。應當承認，碎屑砂體沉積過程的物理模擬與水文工程的模擬是兩類不同性質的模擬過程。水文工程的物理模擬是在現今條件確定的情況下，預測未來幾十年內河道淤積演變對水文工程的影響，所涉及的時間跨度非常短暫；而碎屑砂體形成過程的物理模擬則是在沉積初始條件基本未知，依靠沉積結果反演沉積條件，從而逼近沉積過程的一種模擬。它所涉及的時間跨度是地質時代，一般在幾千至幾萬年甚至幾十萬年的時段內，因而研究難度比較大。值得指出的是，形成一個碎屑砂體的時間與該砂體形成後所經歷的更加漫長的成岩時間是兩個概念。碎屑物理模擬所考慮的時間是碎屑沉積體系的形成時間。

物理模擬的關鍵是要解決模型與原型之間相似性的問題，也就是說，實驗模型在多大程度上與原型具有可比性是成敗的標准。為此物理模擬實驗必須遵從一定的理論，這種理論可稱之為相似理論。模型與原型之間必須遵守的相似理論包括幾何相似、運動相似及動力相似。

碎屑物理模擬一般都在實驗裝置內進行，物理模擬的方法步驟可概括為如下步驟：

1）確定地質模型。所涉及的參數包括盆地的邊界條件（大小、坡度、水深、構造運動強度、波浪、基準面的變化等）、流速場的條件（流量、流速、含砂量等）、入湖或海河流的規模及分布、沉積體系的類型、碎屑體的粒度組成等。

2）確定物理模型。由於自然界中形成沉積體系的控制因素較多，確定物理模型的關鍵是抓住主要矛盾，而忽略一些次要因素。好的物理模型應當反映碎屑沉積體系的主要方面。物理模型的主要內容是確定模型與原型的幾何比例尺與時間比例尺、流場與粒級的匹配、活動底板運動特徵以及模型實驗的層次。

3）建立原型與模型之間對比標准。實驗開始前應確定每個層次的實驗進行到何種程度為止，是否進入下一個層次的模擬，所以確定合適的相似比十分重要。

4）明確所研究問題的性質。應當明確沉積學基礎問題的研究可以假設其他因素是恆定的，而重點研究單一因素對沉積結果的影響，但實際問題的解決往往是復雜的。各種因素之間是相互制約的，因此必須綜合考慮。一般應從沉積體系的范疇思考問題，而不能僅從某個單砂體著手就事論事。因為單砂體是沉積體系甚至是盆地的一部分。

5）確定實驗方案。即在物理模型的基礎上，進一步細化實驗過程，把影響碎屑沉積的主要條件落實到實驗過程的每一步，特別應注意實驗過程的連續性和可操作性。因為實驗開始後一旦受到某些因素的影響而被迫中斷，再重新開始時，該沉積過程是不連續的（除非在形成原型的過程中確實存在這種中斷），流場的分布將受到較大影響，因此，實驗開始前的充分准備是十分必要的。

6）適時對碎屑搬運沉積過程進行監控。因為沉積模擬研究是對地質歷史中沉積作用的重現，是對過程沉積學進行的研究。所以沉積過程的詳細記錄和精細描述是必需的，只有這樣才能深入研究過程與結果的對應性。

7）過程與結果的對應研究。實驗完成後對沉積結果的研究一般可採用切剖面的方法，對碎屑沉積體任一方向切片建立三維資料庫，並與沉積過程相對應，比較原型與模型的相似程度，從而對原型沉積時的未知砂體進行預測。目前已經做到的對比項目有相分布特徵、厚度變化、粒度變化、夾層隔層的連通性及連續性、滲流單元的分布等。

2.物理模擬的實驗方法

1）確定模擬區的規模及層位。在對模擬原型進行研究的基礎上，根據要求確定模擬的地質層位。若模擬區塊較大或模擬層段較厚，一般要進一步細分，才能保證模擬的精度。

2）確定模型的比尺。一般來說應保持x、y、z三個方向為同一比尺，即物理模型為正態模型，這樣可保證模擬結果的精度較高；若為變態模型，變率一般應小於5。

3）確定實驗裝置的有效使用范圍。當原型與模型的比尺確定後，實驗裝置上有效使用范圍便隨之確定。

4）確定原始底形。按實際資料，將模擬層位以下地層的底形按比例縮至實驗裝置內。

5）確定加砂組成。按模擬層位的粒度分析資料並加以確定。

6）確定洪水、平水、枯水的流量。一般根據模擬原型沉積時的氣候特點，結合現代沉積調查及水文記錄，概化出流量過程線，按流量過程施放水流。

7）湖水位控制。根據原型研究，按比例選擇合適的初始沉積時的湖水深度，另外，應確定每一階段的沉積過程是否在高位體系域、低位體系域或是水進水退體系域內進行，最好明確一種體系域變化為另一種體系域的時間長短，即變化速率，因為這關繫到實驗過程中湖水位的調節。

8）確定加砂量。一般洪水、平水、枯水的加砂量明顯不同，加砂量的確定應與流量過程匹配，並考慮水流能夠搬運為原則，同時應明確實驗過程為飽和輸砂還是非飽和輸砂。

9）含砂量控制。此參數是儲集砂體地質研究中不能獲得的參數，一般採用現代沉積調查的結果進行類比，按洪水期、平水期、枯水期分別設計，也可以設計為一個區間，按流量調節。

10）河道類型。國外物理模擬研究在實驗開始前，一般在原始底形上塑造模型小河，以使水流首先有一流道。該模型小河對以後的沉積作用不產生太大的影響。隨著實驗的進行、水流會自動調整。但一般若原型資料較好，在縮制原始底形時，已存在水流的通道不需要設置模型小河。

11）確定河岸組成。在需要設置模型小河時，應考慮河岸的組成，因為這關繫到河岸的抗沖性以及河道的遷移和決口。一般應考慮原型的特徵來設計。

12）活動底板控制。活動底板運動是地殼運動在實驗室內的表現，它從宏觀上控制了沉積作用的特徵和樣式。首先應明確原形沉積時構造運動的類型與性質、構造運動的強度與時期，這涉及活動底板運動的幅度和速率是否造成斷層及斷距的大小等。

13）過程監控。由於沉積模擬研究是對砂體的形成過程進行研究，所以實驗全過程的監控是分析對比過程與結果必不可少的，國內外一般採用與時間同步的電動照相機和對實驗過程全程錄像的方法，輔以詳細的觀察描述來對實驗過程進行跟蹤監控。

14）過程細化。將實驗過程細化為若干個沉積期，每一個沉積期對應一個單砂體或一個砂層組，每一期沉積過程結束後，詳細測量各種參數、邊界形態等。

15）剖面研究。實驗完成後，對沉積砂體進行縱、橫剖面的切片研究，並與過程相對應，最終與原型砂體進行對比，檢驗實驗結果的准確性。

16）整理各類資料、數據，為數值模擬研究提供必要的信息。

3.物理模擬的標准

碎屑沉積過程物理模擬成功與否的判別標准就是實驗模型與原型相似程度的高低。在油氣勘探階段，可以與地震剖面和測井曲線所反映出來的砂體類型和砂岩厚度進行對比。在油氣開發階段，可以與測井曲線和開發動態相比較。目前各類靜態參數（粒度、厚度、連續性、連通性、砂體延伸方向和規模、沉積相類型等）的符合率一般為70%，動態方面的對比尚沒有深入研究。

4.物理模擬的局限性

（1）尺度的限制

任何物理模擬實驗裝置由於受到場地及裝置大小的限制，不可能無限制地擴大規模。如果原型的幾何規模比較大，要想在室內實現模擬，就只有縮小比例，而任何比尺的過度縮小，都將造成實驗結果的失真和變形，導致原型與模型之間相似程度的降低。根據目前實驗水平，一般x、y方向的比例尺控制在1∶1000之內較合適。z方向的比尺控制在1∶200之內比較理想。實際工作中，一般使x、y、z方向比尺保持一致，即選用正態模型准確性較高。某些情況下，根據原型的形態特點，x、y、z方向的比尺允許不一致，即選用變態模型，但二者相差不宜太大，否則容易造成實驗結果的扭曲。

（2）水動力條件及氣候條件的限制

自然界碎屑沉積體系形成過程中，水動力條件非常復雜，有些條件在實驗室內難以實現，如潮汐作用、沿岸流、水溫分層、鹽度分異以及沉積過程中突然的雨雪氣候變化等影響因素，這些都在一定程度上影響了實驗過程的准確性。

（3）模型理論的限制

在物理模擬相似理論中，諸多相似條件有時並不能同時得到滿足，而某個條件的不滿足就可能導致實驗結果在一定程度上失真。例如，要使模型水流與原型水流完全相同，必須同時滿足重力相似與阻力相似，但二者是一對矛盾；又如懸浮顆粒的運動，現有模型中關於沉降速度的相似條件有沉降相似和懸浮相似，很顯然，二者也不可能同時滿足。因此實驗方案設計中，提取起主要作用的因素顯得十分重要。

盡管碎屑沉積體系的物理模擬存在上述許多局限，但它在促進實驗沉積學的發展、研究碎屑體系形成過程及演變規律、預測油氣儲集砂體的分布方面愈來愈顯示出它獨特的優勢。

C. 如圖所示是某小組探究「摩擦力的大小與哪些因素有關」的實驗裝置圖：（1）實驗中改變摩擦力的方法是_____

（1）甲乙兩圖實驗中木塊和木板接觸面的粗糙程度相同，乙圖中木塊的上方增加了一個砝碼壓力增大了；
甲丙兩圖實驗中木塊對接觸面的壓力不變，丙圖中木板的表面粗糙，所以改變的是接觸面的粗糙程度；
（2）用彈簧測力計勻速拉動木塊時，木塊做勻速直線運動受到的力是平衡力，根據二力平衡的知識，此時摩擦力的大小等於彈簧測力計對木塊拉力的大小；
（3）比較甲、乙兩圖發現：接觸面的粗糙程度相同，而壓力大小不同，由此可知研究的是摩擦力與壓力大小的關系．故結論為：在接觸面的粗糙程度一定時，壓力越大，摩擦力越大；
（4）乙丙兩圖壓力大小和接觸面的粗糙程度都不同，所以無法探究影響摩擦力大小的因素，故不能得出正確的結論；
（5）通過分析可知，拉力對木塊做的功，全部轉化為熱，把測桌面與木塊間由於摩擦而產生的熱量轉化為測拉力對木塊做的功，因為拉力對木塊做的功W=FS，所以，可用彈簧秤測出拉力，用刻度尺測出距離，然後求出功．
故答案為：
（1）改變壓力或接觸面粗造程度；
（2）勻速直線；拉力等於摩擦力大小；
（3）接觸面粗造程度相同時，壓力越大，摩擦力越大；
（4）不能；
（5）B．

D. 如圖是探究電流通過導體時產生熱量的多少與什麼因素有關

如圖所示是小華探究「電流通過導體時產生熱量的多少跟什麼因素有關」的實物圖，A、B燒瓶內各裝有等量的煤油．
（1）A、B燒瓶內的電熱絲是由橫線截面積相同的同種材料繞成的．觀察實物圖，可以判斷出燒瓶內的電熱絲阻值較大（選填「A」或「B」）；小華設計該實驗是想探究電流通過導體時產生熱量的多少跟的關系．
（2）本實驗是通過觀察來比較電流通過電熱絲產生的熱量多少；實驗中選用煤油而不是選用水進行加熱，主要是因為煤油的較小，可以節省加熱時間．
（3）小華想改裝此實驗裝置用來「測量煤油的比熱容大小」．他將兩燒瓶的電熱絲換成一樣的，在兩燒瓶李分別裝入 質量相等的水和煤油．測量時，水和煤油的初溫均為t0，通電一段時間後，水和煤油的末溫分別為t水和t煤油，請寫出煤油比熱容的表達式：C煤油（已知水的比熱容為C水）．
初中物理70.2%的同學易出錯焦耳定律2014廈門市期末

解答
解：（1）①A、B燒瓶內的電熱絲是由橫線截面積相同的同種材料繞成的．觀察實物圖，可知A燒瓶內電阻絲產長，所以A燒瓶內電阻大．
②電流產生的熱量跟電流大小、電阻大小、通電時間有關．圖中電阻串聯在電路中，電流和通電時間都相同，電阻不同，所以實驗探究電流產生熱量多少跟電阻的關系．
（2）①電流產生的熱量不能用眼睛直接觀察，通過溫度計示數的變化量來判斷電流產生熱量的多少．
②質量相同的水和煤油，煤油的比熱小，溫度變化相同時，根據Q=cm△t知，比熱越小，吸收熱量越少，時間越短．
（3）兩燒瓶的電熱絲換成一樣的，電阻相同，電熱絲串聯在電路中，電流和通電時間都相同，電流產生的熱量相同，所以質量相同、初溫相同的水和煤油吸收的熱量相同，
Q水=c水m△t水=c水m（t水-t0），
Q煤油=c煤油m△t煤油=c煤油m（t煤油-t0），
∵Q水=Q煤油，
∴c水m（t水-t0）=c煤油m（t煤油-t0），
∴c煤油=
t
水
−
t
0
t
煤
油
−
t
0
c
水
．
故答案為：（1）A；電阻；（2）溫度計的示數變化；比熱；（3）
t
水
−
t
0
t
煤
油
−
t
0
c
水
．

解析
（1）①導體的電阻跟導體的長度、橫截面積、材料有關，根據電阻的影響因素進行判斷．
②電流產生的熱量跟電流大小、電阻大小、通電時間有關．探究電流產生熱量跟其中一個影響因素關系時，控制其它因素不變．
（2）①電流產生的熱量不能用眼睛直接觀察，通過溫度計示數的變化量來判斷電流產生熱量的多少．
②根據Q=cm△t，質量相同的水和煤油，煤油的比熱小，溫度變化相同時，比熱越小，吸收熱量越少，時間越短．
（3）根據Q=cm△t，求出水和煤油吸收的熱量，水吸收的熱量和煤油吸收的熱量相等列出等式，求出煤油的比熱．

E. （2013香坊區二模）如圖所示，為探究「影響滑動摩擦力大小因素」的實驗裝置．（1）實驗中從彈簧測力計上

（1）實驗中從彈簧測力計上的讀數便可知道滑動摩擦力的大小，這是運用了物理學的二力平衡原理，這要求用測力計拉動木塊做勻速直線運動．
（2）根據生活經驗和已有知識，可以猜想滑動摩擦力大小與接觸面的粗糙程度有關．
（3）根據控制變數法的要求，探究摩擦力與壓力大小關系時，應控制接觸面的面積與粗糙程度相同而壓力不同，探究摩擦力與面積的關系時，應控制壓力與接觸面的粗糙程度相同而接觸面面積不同，探究摩擦力與接觸面粗糙程度的關系時，應控制壓力與接觸面面積相同而接觸面粗糙程度不同；據此設計實驗數據記錄表格，如下表所示．

F. 在探究影響摩擦力大小的因素實驗中,要用彈簧測力計

（1）實驗中，需用測力計沿水平方向拉動木塊做勻速直線運動，這時滑動摩擦力的大小等於彈簧測力計拉力的大小．
（2）甲、乙兩圖，接觸面的粗糙程度相同，壓力不同，且壓力越大，摩擦力越大，說明：在接觸面粗糙程度一定時，壓力越大，滑動摩擦力越大；
（3）乙、圖丙中銅塊和木塊疊放在一起，對木板的壓力都等於二者的總重，壓力相同；
由圖中，丙圖摩擦力更大，說明木塊的表面更粗糙．
故答案為：（1）勻速直線；（2）在接觸面粗糙程度一定時，壓力越大，滑動摩擦力越大；（3）壓力；木塊．