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、物質(zhì)的密度和質(zhì)量等知識的綜合，是中考的一個重要考點，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)生靈活運用知識的能力，而且能拓展學(xué)生實驗設(shè)計和操作能力，本文將對浮力知識測量物質(zhì)密度的方法和技巧進行分析。

　　我們知道計算浮力的方法有三個：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F浮=G）。阿基米德原理是計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。

　　一、利用“沉體”測密度

　　例1某彈簧測力計下面掛玻璃球時示數(shù)為4N，當(dāng)玻璃球浸沒在水中時示數(shù)為2N，當(dāng)玻璃球浸沒在某液體中時示數(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通過稱重法來測量，同時彈簧測力計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，特點是“沉體”排開液體的體積等于物體的體積。而且通過這個例題發(fā)現(xiàn)：彈簧測力計結(jié)合某個“沉體”可以改裝成測液體密度的密度計。根據(jù)例一，彈簧測力計結(jié)合玻璃球可得如圖的密度計：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，即是密度計的零刻度；而0N時彈簧測力計對玻璃球沒有拉力，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。

　　∴本實驗的器材為量筒、足量的水、細(xì)針。

　　測量的過程如下：

　　⑴在量筒中裝入適量的水，記下水面的刻度為V1

　　⑵讓木塊漂浮在量筒中的水面上，記下此時水面的刻度為V2

　　⑶用細(xì)針將木塊浸沒在量筒的水中，記下此時水面的刻度為V3

　　⑷將量筒中水換成適量牛奶，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，可以使它成為一個密度計，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，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”的特點測密度

　　例3現(xiàn)有一個小玻璃試管，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它的重力就等于浮力，所以只要用量筒測量它漂浮時排開水的體積，就可以得到它的質(zhì)量。

　　這樣測量的過程如圖所示：

　　步驟為：

　　①在量筒中放入適量水，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。

　　③將小玻璃試管下沉到量筒的水中，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。實驗過程如下圖：

　　步驟為：

　　①讓小玻璃管漂浮在量筒的水面上，記下此時水面的刻度V

　　②將細(xì)沙放到漂浮的小玻璃管中，記下此時水面的刻度V1

　　③將細(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重要實驗，基本方法為用天平和量筒這兩種儀器，而此實驗的拓寬是往往只給一種儀器，甚至一種也沒有，而代以其他實驗器材，因此尋找合適的代換是關(guān)鍵，從上面的例題可發(fā)現(xiàn)：利用浮力的知識進行密度的測量時，浮力和密度的基本知識是出發(fā)點，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物的特點進行代換，通過一定的設(shè)計就可以達到密度的測量、儀器的改裝。此類實驗不僅注重學(xué)生基本操作技能的掌握，而且也注重提高學(xué)生實驗設(shè)計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，實現(xiàn)從“應(yīng)試教育”向“素質(zhì)教育”轉(zhuǎn)變。

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