密度的測量
——讓學生在實驗中小試身手
□伍利敏
在《質量與密度》這一章中,測量物質的密度尤為重要,其原理是利用公式無論是測量固體還是液體的密度,所需的物理量只有兩個,即想辦法測出物體的質量和體積,就可以計算出物體的密度.下面我們一起來看看利用密度公式測密度的一些具體問題.
固體的質量一般用天平可以直接測量,因而重點是測體積.對于形狀規則的物體,用刻度尺就可測出體積;對于形狀不規則的物體,其體積的測法又可以分為兩類.
第一類:可沉入水的固體密度
例1張華和同學到東海島鋼鐵基地參加社會實踐活動,張華拾到一個小金屬零件,他很想知道這個零件是什么材料做成的,就把它帶回學校利用天平和量筒來測定這個零件的密度.具體操作如下:
(1)把天平放在水平臺上,并將游碼移至標尺左端零刻線處;調節天平橫梁平衡時,發現指針在分度盤標尺上的位置如圖1甲所示,此時應將平衡螺母向(填“左”或“右”)調節.
(2)用調節好的天平測零件的質量,天平平衡時,砝碼的質量及游碼在標尺上的位置如圖1乙所示,則零件的質量為g,用量筒測得零件的體積如圖1丙所示,則零件的體積為cm3,由此可算得小金屬零件的密度為g/cm3.
(3)若該零件磨損后,它的密度將(填“變大”“變小”或“不變”).
圖1
解析:這一類是最常見的測密度的題,它的基本思路是:(1)用天平測物體質量m=60g+2g=62g;(2)用量筒量取體積為V1的水;(3)將固體放入水中,水和固體的總體積為V2,則固體體積V=V2-V1=80ml-60ml=20ml=20cm3,則固體密度
圖2
答案:(1)右;(2)62;20;3.1;(3)不變
第二類:不沉入水的固體密度
例2為了測定不沉入水的蠟的密度,將一蠟塊用細繩系著一塊鐵,并把它們放入盛水的量筒中進行實驗,如圖2,現在有如下的測量步驟:
A.用天平測出鐵塊的質量m1;
B.用天平測出蠟塊的質量m2;
C.用天平測出蠟塊和鐵塊的總質量m3;
D.在量筒中倒入適量的水;
E.讀出水面的刻度V1;
F.只將鐵塊全部浸沒水中時,讀出水面的刻度V2;
G.將鐵塊和蠟塊全部浸沒水中時,讀出水面的刻度V3.
(1)請根據實驗要求,把上面不必要的測量步驟選出來,并把它們的字母代號填寫在后面的橫線上:.
(2)根據測量出的物理量,寫出計算蠟塊密度時所用的表達式:ρ= .
解析:這類題的實驗原理是依據密度的計算公式,需要求出物體的質量與體積.根據物體不能沉入水中的特點,采用助沉法使之浸沒,間接測出其體積.其基本操作步驟為:在待測物體上懸掛一個重物,先將重物浸沒在水中,讀出量筒中水面的刻度V1,再將物體與懸掛重物全部浸沒在水中,讀出量筒中水面的刻度V2,則待測物體的體積V=V2-V1,在這一過程中,重物的質量和量筒中水的體積是無須測量的.
例3小林同學在實驗室用天平和量筒測鹽水的密度:
(1)他把天平放在水平桌面后,發現天平的狀態如圖3所示,要調節天平的平衡,請寫出首先進行的調節步驟是:.
A.將燒杯中液體的一部分倒入量筒,測出這部分液體的體積V;
B.用天平測出燒杯和液體的總質量m1;
C.用天平測出燒杯和剩余液體的總質量m2;
以上操作的正確順序是(填字母代號).
圖3
圖4
(3)而鹽水的體積V可以由圖4乙中的量筒測得,請你為他記錄測得體積為cm3,但圖4甲、乙、丙三圖的容器中均有鹽水,且都有質量,若要求出鹽水的密度,應選擇幅圖(選填“甲”或“乙”或“丙”)中的鹽水的質量.
(4)最后他很快知道了鹽水的質量,應是g,從而求得鹽水的密度為kg/m3.
解析:在液體密度測量的實驗中,體積往往可以用量筒直接測量,質量的測量才是難點.質量的測量一般要用兩步完成:(1)測所有液體和容器的總質量m1;(2)倒入一部分液體到量筒中,測剩余液體和容器的總質量m2,則量筒中的液體質量為m1-m2.然后利用密度公式求得液體密度.
答案:(1)將游碼放在標尺左端的零刻線上,再根據指針偏轉的情況調節平衡螺母,使天平平衡;(2)BAC;(3)40乙;(4)102g-60g=42g1.05×103.
例4小麗的爺爺奶奶每天的早餐中幾乎都有一杯豆漿.小麗只用了天平、空瓶和水就測出了豆漿的密度.請你幫她寫出實驗步驟及需要測量的物理量,并推出豆漿密度的計算公式(用字母表示,設天平的稱量足夠大).
答案:實驗步驟:
(1)用天平測出空瓶的質量m0;
(2)瓶內裝滿水,測出瓶子及水的總質量m1;
點評:此題是一種間接測量物質密度的題型,實驗中要注意瓶子中倒水或豆漿時一定要裝滿,目的是保證水和豆漿的體積相同.
從以上習題中,我們發現密度知識可以解決很多生活中的實際問題,又可為以后學習浮力、杠桿平衡條件、壓強等知識打下基礎.