全機械密度儀

鄭經(jīng)學,李思雨,劉 琦,徐志鵬,聶 晶

(遼寧科技大學 理學院，遼寧 鞍山 114051)

學生園地

全機械密度儀

鄭經(jīng)學,李思雨,劉 琦,徐志鵬,聶 晶

(遼寧科技大學 理學院，遼寧 鞍山 114051)

基于玻意耳定律和阿基米德原理，設計了全機械密度儀，對鋁鐵銅樣品進行了測量，測量結(jié)果與標準值相近. 本密度儀成本低，可用于固體或液體的無污染測量.

密度；玻意耳定律；阿基米德原理

目前市場上已有的密度儀一般是利用阿基米德原理(排液法)對物體的密度進行測量[1-6]，但在實際的科研、工業(yè)生產(chǎn)和生活中，有很多待測樣品的性質(zhì)比較活潑，排液測量中被污染或出現(xiàn)性狀的改變，因此這一類排液法的密度儀在適用范圍上受到了一定的限制. 同樣，若采用排沙法測體積也會出現(xiàn)污染待測樣品的情況. 常用的電子密度儀，由于需要荷重傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、顯示部分及USB接口等大量的電子產(chǎn)品進行測量、計算及顯示，因而設備成本比較高[7-10]. 針對以上問題筆者設計了全機械密度儀，利用玻意耳定律和阿基米德原理實現(xiàn)密度的測量，避免排液法、排沙法對待測樣品造成污染，也不需要用昂貴的電子設備進行計算和顯示，只需簡單操作便可得出被測物的密度.

1 實驗研究

1.1 密度儀的制作

實驗儀器：2個密閉容器(體積為2 L),2個容器(體積分別為4 L和2 L),氣壓表(量程為10個大氣壓，上海天川Y-60，上海天川儀表廠)、充氣閥門，3個導氣閥門，3條導氣管、帶刻度透明管狀容器(直徑15 cm、長100 cm)，活塞(直徑略小于15 cm)及其他輔助用品.

1.2 儀器制作及測量方法

1.2.1 儀器制作原理

體積置換儀如圖1所示，由密閉容器和盛水密閉容器構(gòu)成，其中密閉容器內(nèi)放置被測物體，密閉容器的端蓋上固定有氣壓表、充氣閥、導氣閥門和導氣孔，密閉容器的端蓋旋緊密封；盛水密閉容器內(nèi)盛水，其容器端蓋上有導氣孔，盛水密閉容器底部側(cè)壁有放水閥門，密閉容器和盛水密閉容器容積大小相等,其容積均為2 L. 2個密閉容器端蓋上的導氣孔通過導氣管相互連通， 且導氣管上有氣體閥門.

(b)實物圖圖1 體積置換儀

質(zhì)量置換儀包括2個大小不同的容器，較大容器(容器體積約為4 L)內(nèi)盛水，側(cè)壁設有放水閥門；較小容器(容器體積約為2 L)放在較大容器內(nèi)，較小容器內(nèi)放置待測物體，如圖2所示.

圖2 質(zhì)量置換儀

密度測量儀如圖3所示，為透明的管狀容器，由容積固定的左腔室(體積為1 767.09 cm3)和容積可調(diào)的右腔室(體積最大為15 903.84 cm3)組成，左腔室和右腔室的管狀截面積相同，且上部均有開口，通過開口向左腔室和右腔室內(nèi)注水，右側(cè)腔室內(nèi)有一帶推拉桿的活塞，通過推拉桿帶動活塞在右側(cè)腔室左右移動來調(diào)節(jié)右腔室的容積. 左腔室和右腔室下面還有帶刻度的水平底座(底座刻度線為100 cm,精度為0.1 cm)，密度測量儀測量時放置在操作臺上.

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)示意圖圖3 密度測量儀

1.2.2 密度測量操作過程

如圖1所示，體積置換操作步驟如下：

a.關(guān)閉閥門，將盛水密閉容器注滿水.

b.打開密閉容器，將待測物體放入密閉容器中后密封.

c.通過導氣孔用打氣裝置打入一定氣體，觀察氣壓表，使得密閉容器中的壓強為2個大氣壓，停止打氣.

d.打開導氣閥門和放水閥門,在氣壓的作用下氣體由密閉容器進入盛水密閉容器，盛水密閉容器會向外排出一定體積的水，根據(jù)玻意耳定律pV=c(c為常數(shù))或理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT,可得2p0(V0-V1)=p0[2(V0-V1)]=nRT，即等溫時理想氣體氣壓減半體積加倍，其中V0為容器的容積，V1為待測樣本的體積. 當氣壓表的讀數(shù)變?yōu)?個大氣壓時，盛水密閉容器中的水將停止外流，容器中余下的水的體積與待測樣本的體積相同.

e.打開密閉容器，將盛水密閉容器中剩余的水在放水閥門處通過塑料管導入至密度測量儀中容積固定的左腔室中.

若測量液體密度可省略上述過程.

采用體積置換儀可以得到與待測物體等體積的水.

如圖2所示，質(zhì)量置換操作步驟如下：

a.關(guān)閉閥門，在放有較小容器的較大容器中注入與閥門底端相平的水(關(guān)閉閥門是為了降低人工操作對測量數(shù)據(jù)的影響).

b.將待測物體放入較小容器中，打開閥門，通過塑料管將流出的水(體積為V2)導入密度測量儀中容積可變的右腔室中.

采用質(zhì)量置換儀得到與待測物體相等質(zhì)量的水.

如圖3所示，密度測量操作步驟如下：

a.將帶刻度的可調(diào)水平的底座放平，左腔室中來自體積置換儀中盛水密閉容器中剩余的水或待測液體(體積為V1)，右側(cè)的腔室中來自質(zhì)量置換儀中從閥門中流出的水(體積為V2).

2 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述實驗原理及操作過程，對鋁、鐵、銅樣品進行了密度測量，其測量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，計算求得ρAl=2.71 g/cm3,ρFe=7.87 g/cm3，ρCu=8.94 g/cm3.

實驗室通過排水法標定的鋁、鐵、銅的密度[11]分別為2.70,7.90,8.90 g/cm3. 對測量結(jié)果與實驗室標定的結(jié)果分析的得出鋁、鐵、銅3種材料密度測量的相對偏差分別為0.44%，0.35%，0.45%. 樣品的測量密度與真實密度的誤差較小.

3 設備誤差來源及改進空間

3.1 誤差來源分析

通過對實驗儀器和實驗操作的分析，該實驗導致誤差的因素主要有以下3方面：

1)由于水的浸潤性，在容器內(nèi)壁可能存在掛壁現(xiàn)象，這是造成誤差的一個因素.

2)在對容器進行加壓和放氣過程中，容器內(nèi)部的溫度可能會有微小改變，測量精確度可能會有所降低.

3)由于容器內(nèi)部的壓強是外界大氣壓的2倍，可能會導致非剛性樣品的體積會有微小變化，測量精確度也可能會降低.

3.2 設備的改進空間

1)在密度測量儀內(nèi)可以安裝壓力傳感器，由于容器的截面積相等，所以當兩側(cè)容器內(nèi)的水壓相等時容器兩側(cè)的液面高度相同.

2)將密度測量儀右側(cè)的活塞改為螺旋式活塞，能降低人工操作引起的誤差.

3)在密度測量儀的右側(cè)容器內(nèi)裝上距離傳感器，能更加精確地讀出所需要讀取的數(shù)據(jù)[12].

4)在容器內(nèi)壁進行疏水性納米涂層處理.

5)實驗過程可以在恒溫的空調(diào)室內(nèi)進行，這樣可以盡量減少溫度對于測量精度的影響.

4 結(jié)束語

基于玻意耳定律和阿基米德原理，設計并制作了全機械密度儀. 通過測量了常見的鋁、鐵、銅等樣品的密度測量，測量結(jié)果與標準值相近，在誤差允許的范圍內(nèi). 本文所制作的密度儀制作成本較低，所以其可以應用學生實驗.

本儀器已獲得國家實用新型發(fā)明專利(No.ZL201520826621.5).

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Full-mechanicaldensimeter

ZHENG Jing-xue， LI Si-yu， LIU Qi， XU Zhi-peng， NIE Jing

(College of Science， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China)

A full-mechanical densimeter was designed based on Boyle law and Archimedes principle. The densities of Al, Fe and Cu samples were measured by this full-mechanical densimeter, and the results were similar to the standard value. The densimeter was low-cost and could be used to non-pollution measurement of the density of solids and liquids.

density; Boyle law; Archimedes principle

O4-34

A

1005-4642(2017)11-0044-04

2017-04-26；修改日期2017-06-22

國家級大創(chuàng)項目(No.201510146017)

鄭經(jīng)學(1995-)，男，湖北公安人，遼寧科技大學理學院應用物理專業(yè)2014級本科生.

聶 晶(1981-)，男，遼寧阜新人，遼寧科技大學理學院副教授，博士，研究方向為量子糾纏.

[責任編輯：郭 偉]