浮力知識測定物質(zhì)密度的思考

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)


        浮力知識測定物質(zhì)密度的思考

        浮力的知識是初中物理力學(xué)的綜合，它是平衡力、液體的壓力和壓強(qiáng)、物質(zhì)的密度和質(zhì)量等知識的綜合，是中考的一個(gè)重要考點(diǎn)，特別是浮力與物質(zhì)密度的測定的結(jié)合，它不僅能考查學(xué)生靈活運(yùn)用知識的能力，而且能拓展學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作能力，本文將對浮力知識測量物質(zhì)密度的方法和技巧進(jìn)行分析。

　　我們知道計(jì)算浮力的方法有三個(gè)：稱重法（F浮=G－F）；阿基米德原理（F浮=G排液=ρ液gV排）；平衡法（漂浮與懸浮時(shí)F浮=G）。阿基米德原理是計(jì)算浮力普遍適用的方法，而稱重法與平衡法都有一定的局限性，稱重法主要用在放入液體中下沉的物體（即所謂的“沉體”），平衡法主要應(yīng)用于漂浮的物體（即所謂的“浮體”），下面我們從“沉體”和“浮體”兩方面來討論測物質(zhì)密度的特點(diǎn)。   　　一、利用“沉體”測密度   　　例1  某彈簧測力計(jì)下面掛玻璃球時(shí)示數(shù)為4N，當(dāng)玻璃球浸沒在水中時(shí)示數(shù)為2N，當(dāng)玻璃球浸沒在某液體中時(shí)示數(shù)為3N，則玻璃球和某液體的密度分別為多少？     　　分析：玻璃的密度ρ=m/V，由于玻璃球在水中下沉而浸沒在水中，所以排開水的體積就是玻璃的體積，而排開水的體積可以通過水中的浮力來考慮，對于在水中下沉的玻璃球，它的浮力可以利用彈簧測力計(jì)通過稱重法來測量，同時(shí)彈簧測力計(jì)還測量了玻璃球的重力從而得到它的質(zhì)量，這樣玻璃球的密度就可以獲得。同樣液體的密度可以利用阿基米德原理，通過玻璃球在液體中的浮力來考慮，浸沒在液體中的玻璃球的浮力也可以通過稱重法來計(jì)算，排開液體的體積就是排開水的體積。   　　解：F浮水=G－F水=ρ水gV排水                ①   　　F浮液=G－F液=ρ液gV排液                 ②   　　∴V玻=V排水==m3         　　∴ρ玻===2000   　　將①／②得：   　　∴ρ液=ρ水=500   　　從例1的解析可以發(fā)現(xiàn)：利用“沉體”測物質(zhì)密度重要的工具是彈簧測力計(jì)，特點(diǎn)是“沉體”排開液體的體積等于物體的體積。而且通過這個(gè)例題發(fā)現(xiàn)：彈簧測力計(jì)結(jié)合某個(gè)“沉體”可以改裝成測液體密度的密度計(jì)。根據(jù)例一，彈簧測力計(jì)結(jié)合玻璃球可得如圖的密度計(jì)：2N處對應(yīng)水的密度1000kg/m3；3N處對應(yīng)液體密度為500kg/m3；4N是空氣中的讀數(shù)，相當(dāng)于浸沒在密度為0的液體中，所以此處對應(yīng)液體的密度為0kg/m3，即是密度計(jì)的零刻度；而0N時(shí)彈簧測力計(jì)對玻璃球沒有拉力，玻璃球相當(dāng)于懸浮在液體中，該處對應(yīng)的液體密度等于玻璃球的密度2000kg/m3。而且它的刻度是均勻的，測量范圍是0～2000kg/m3，從上到下為從大到小，零刻度在下面，最小刻度為100kg/m3，根據(jù)這些數(shù)據(jù)當(dāng)彈簧測力計(jì)下的玻璃球浸沒在某種液體中可以直接讀出液體的密度，如圖指針在箭頭位置，則液體的密度可直接讀出為1200kg/m3。   　　二、利用“浮體”測密度   　　例2  現(xiàn)有一塊長方體小木塊，一杯牛奶，如何利用浮力知識測量木塊和牛奶的密度？   　　分析：當(dāng)木塊在液體中漂浮時(shí)G木=m木g=F浮=ρ液gV排   　　∴只要ρ液已知（常選用水），V排測出（常用量筒）可得到木塊的質(zhì)量，而用細(xì)針讓木塊浸沒在量筒的水中，可以得到木塊的體積。   　　同樣測出木塊的質(zhì)量后，再用量筒測出木塊排開牛奶的體積就可得到牛奶的密度。   　　∴本實(shí)驗(yàn)的器材為量筒、足量的水、細(xì)針。   　　測量的過程如下：   　�、旁诹客仓醒b入適量的水，記下水面的刻度為V1   　�、谱屇緣K漂浮在量筒中的水面上，記下此時(shí)水面的刻度為V2   　�、怯眉�(xì)針將木塊浸沒在量筒的水中，記下此時(shí)水面的刻度為V3   　�、葘⒘客仓兴畵Q成適量牛奶，記下牛奶面的刻度為V4   　　⑸將木塊漂浮在量筒中的牛奶面上，記下此時(shí)牛奶面的刻度為V5   　　這樣ρ木==       ρ牛奶==   　　從例2可以發(fā)現(xiàn)：利用“浮體”測密度主要工具為量筒或量杯，“浮體”的重力等于“浮體”受到的浮力是解決這類問題的關(guān)鍵。如果“浮體”是一個(gè)規(guī)則的物體，測量密度更方便：只須燒杯、水、刻度尺和待測液體不需要量筒。過程如下圖：     　　用刻度尺測出規(guī)則“浮體”的長度L及投入水中后露出水面的高度h（如上圖），則“浮體”的密度為。     　　若投入某液體中露出液面的高度為h′（如上圖），那么液體的密度為。   　　由上題得到啟示：在規(guī)則的“浮體”側(cè)面刻上均勻的刻度，可以使它成為一個(gè)密度計(jì)，刻度可以這樣來確定：將它放入水中漂浮，如果水面下有如圖的6格，則此處記為水的密度1000kg/m3，   　　若將它投入其他液體中時(shí)，液面下的格數(shù)為n（可直接讀出），   　　那么根據(jù)漂浮的物體F浮=G可得：   　　ρ水gV排水=ρ液gV排液       ∴ρ水6=ρ液n ，ρ水6=ρ木10   　　則對應(yīng)的液體的密度為，木塊的密度為0．6ρ水。   　　三、結(jié)合“沉體”和“浮體”的特點(diǎn)測密度   　　例3  現(xiàn)有一個(gè)小玻璃試管，利用量筒和足量的水如何測量玻璃的密度？   　　分析：要測玻璃的密度，必須測出小玻璃試管的質(zhì)量和它具有的玻璃的體積。當(dāng)小玻璃試管下沉在量筒的水中時(shí)可以測出它的體積；小玻璃試管的質(zhì)量可以通過測量它的重力獲得，由于小玻璃試管漂浮在水面上時(shí)它的重力就等于浮力，所以只要用量筒測量它漂浮時(shí)排開水的體積，就可以得到它的質(zhì)量。   　　這樣測量的過程如圖所示：     　　步驟為：   　�、僭诹客仓蟹湃脒m量水，記下水面對應(yīng)的刻度為V。   　　②將小玻璃試管漂浮在量筒的水面上記下水面對應(yīng)的刻度為V1。   　�、蹖⑿〔Ａг嚬芟鲁恋搅客驳乃�，記下水面對應(yīng)的刻度為V2。   　　那么，玻璃的密度為。   　　由例3可以更進(jìn)一步思考：利用量筒、小玻璃管、足量的水、細(xì)線，如何測量細(xì)沙的密度？   　　分析：細(xì)沙的密度ρ=m/V，細(xì)沙的質(zhì)量由于沒有天平，可以通過測量漂浮時(shí)的浮力來得到，細(xì)沙要漂浮必須將它放到小玻璃管中；對應(yīng)的體積可讓小試管中的細(xì)沙下沉到量筒中的水中獲得。實(shí)驗(yàn)過程如下圖：     　　步驟為：   　�、僮屝〔ＡЧ芷≡诹客驳乃嫔�，記下此時(shí)水面的刻度V   　�、趯⒓�(xì)沙放到漂浮的小玻璃管中，記下此時(shí)水面的刻度V1   　�、蹖⒓�(xì)沙從小玻璃管倒入量筒的水中，讓小玻璃管仍漂浮在水面上（如上圖），記下此時(shí)水面刻度V2   　　則細(xì)沙的質(zhì)量為ρ水（V1－V），細(xì)沙的體積為V2－V   　　細(xì)沙的密度為。   　　測定物質(zhì)的密度是初中物理一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，基本方法為用天平和量筒這兩種儀器，而此實(shí)驗(yàn)的拓寬是往往只給一種儀器，甚至一種也沒有，而代以其他實(shí)驗(yàn)器材，因此尋找合適的代換是關(guān)鍵，從上面的例題可發(fā)現(xiàn)：利用浮力的知識進(jìn)行密度的測量時(shí)，浮力和密度的基本知識是出發(fā)點(diǎn)，利用物體在液體中的狀態(tài)，抓住“浮體”F浮=G和“沉體”V排=V物的特點(diǎn)進(jìn)行代換，通過一定的設(shè)計(jì)就可以達(dá)到密度的測量、儀器的改裝。此類實(shí)驗(yàn)不僅注重學(xué)生基本操作技能的掌握，而且也注重提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和對知識的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，實(shí)現(xiàn)從“應(yīng)試教育”向“素質(zhì)教育”轉(zhuǎn)變。
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