密度測量方法分類探析

2021-01-16 02:55:11吳洋

中學教學參考·理科版 2021年9期

吳洋

[摘要]密度測量是近幾年中考必考實驗之一，無論是固體密度測量，還是液體密度測量，實驗原理都是[ρ=mV]。文章以固體密度測量和液體密度測量為例，總結不同物質密度的測量方法。

[關鍵詞]固體密度;液體密度;[ρ=mV]

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0050-03

密度測量是近幾年中考必考實驗之一，無論是固體密度的測量，還是液體密度的測量，實驗原理都是[ρ=mV]。本文以固體密度測量和液體密度測量為例，總結不同物質密度的測量方法。

一、固體密度的測量

常規固體密度的測量相對簡單，具體需要先用天平測量質量m，再利用量筒與水測量體積V，利用實驗原理[ρ=mV]測量密度。固體密度測量中體積V的測量是關鍵，也是極易造成誤差的地方，如果固體體積較大，不易放入量筒中;固體密度比水的密度小，無法全部浸沒水中測體積;固體（或顆粒狀）易吸水，且與水是相互溶解，等等，這樣的固體密度的測量需要轉變思維，換個思路思考問題，即可測量密度。

1.常規固體密度測量

常規固體密度測量可分為以下幾種類型：（1）規則固體，可以利用刻度尺直接測量固體的長、寬、高，從而計算體積，密度表達式為[ρ=mabc];（2）不規則固體且[ρ物>ρ水]，可以利用“排水法”測體積，密度表達式為[ρ=mV2-V1];若不規則固體較大，可利用“等效替代法”測量體積，即將固體輕輕放入裝滿水的燒杯中，溢出水的體積即為固體體積，密度表達式為[ρ=mm溢水?ρ水];（3）不規則固體，且[ρ物<ρ水]，可以利用“針壓法”或“墜物法”測體積，如圖1所示，密度表達式為[ρ=mV2-V1]。以上幾類物質密度測量準確。

【備注】（1）針壓法（常用工具有，量筒、水、大頭針）。用大頭針將漂浮物按入水中，記下量筒中水位的變化。（2）墜物法（常用工具有，量筒、水、細線、金屬塊）。把適量水倒入量筒，再用細線拴住金屬塊放入水中記為V1，然后把金屬塊和漂浮物拴在一起沉沒水中記為V2，則體積[V=V2-V]1。

[例1]（2020·黔南州）小強同學在家中自主學習，他利用家庭實驗室的器材欲測一小石塊的密度，他可用的器材有：托盤天平（含砝碼）、燒杯、細線、水和小石塊。

（1）將托盤天平放在水平桌面上，將游碼移至標尺左端零刻線處，發現天平靜止時橫梁右端高，則應將橫梁右端的平衡螺母向? ? ? ? ? ? ?（選填 “左”或“右”）調節，使橫梁平衡;

（2）在燒杯中放入適量的水，用細線拴住小石塊，將小石塊浸沒水中，在水面到達的位置上作標記，用天平測出水和燒杯總質量[m1];

（3）將小石塊從水中取出，用天平測出剩余水和燒杯的總質量[m2];

（4）向燒杯中加水到標記處，再用天平測出此時水和燒杯的總質量[m3];

（5）上述實驗過程可簡化為圖2，小石塊的質量[m石=]? ? ? ? ? ? ? ? ? ;

（6）設水的密度為[ρ水]，則小石塊體積的表達式：[V石=]? ? ? ? ? ? ? ? ?（用所測物理量的字母表示），小石塊密度的表達式：[ρ石=]? ? ? ? ?   ? ? ?（用所測物理量的字母表示）;

（7）如步驟（3）中取出小石塊時帶走了一些水，小強所測的小石塊質量? ? ? ? ? ? ? ? （選填“大于”“小于”“等于”）小石塊的真實質量。

解析：本題是利用“等效替代法”測量小石塊密度的一種典型方法，抓住水減少的體積即為小石塊的體積的一種思想。

（1）天平調節的依據是“左高左調、右高右調”，天平靜止時橫梁右端高，此時將平衡螺母向右調節。

（5）根據題意，小石塊的質量為[m石=m1-m2]。

（6）依據小石塊的體積即為所加水到標記處水的體積，則小石塊體積為[V石=V加水=m3-m2ρ水]，小石塊的密度為[ρ石=m石V石=m1-m2m3-m2?ρ水]。

（7）誤差分析，如果考慮小石塊從水中取出時沾上少量的水，則燒杯中剩余水的總質量[m2]變小，小石塊的質量為[m石=m1-m2]將變大。

答案：（1）右（5）[m石=m1-m2] （6）[V石=m3-m2ρ水] [ρ石=m1-m2m3-m2?ρ水] （7）大于

2.特殊固體密度測量

特殊固體密度測量分為以下兩類：（1）固體體積較大，也可以采用“標記法”，實驗步驟如圖3所示，密度表達式為[ρ=mV2-V1]。實驗誤差分析：由于從燒杯中取出物體時表面會沾有水，使量筒中倒入燒杯的水變多，因此，密度測量值偏小。（2）易吸水（或顆粒狀）固體體積測量，可以讓這種易吸水固體與互不相溶的物質充分混合，再利用“差值法”測量體積。如測量沙糖體積時可以與面粉充分混合;測量粉筆體積時在表面涂一層薄薄的不溶于水的物質。比如油漆類的，測量海綿的體積時可以先讓其吸足水再測體積。[1]

[例2]（2019·云南）在學習密度知識后，小王同學想利用密度知識測量老師所用粉筆的密度。在老師指導下進行了如下探究：

（1）他把10支粉筆放到調好的托盤天平上，當天平再次平衡時，右盤的砝碼和標尺上游碼的位置如圖4甲，則每支粉筆的質量為 ? ? g。

（2）小王在量筒中加入體積為[V1]的水，把一支粉筆放入量筒，發現粉筆在水面停留一瞬，冒出大量的氣泡后沉底。量筒中水面到達的刻度為[V2]，若把（[V2-V1]）作為粉筆的體積來計算粉筆的密度，測得粉筆的密度會比真實值 ? ? ? ? ? ? ? （選填“大”或“小”），原因是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（3）小王把一支同樣的粉筆用一層保鮮膜緊密包裹好放入水中（保鮮膜的體積忽略不計），發現粉筆漂浮在水面上，于是他用水、小金屬塊、量筒和細線測量粉筆的體積，如圖4乙。粉筆的密度為 ? ? ? ? ?g/cm3，粉筆越寫越短，粉筆變短后密度 ? ? ? ? ? ? ? （選填“變大”“變小”或“不變”）。

解析：本題是“易吸水”粉筆密度的測量，這里關鍵是如何準確測量出粉筆的體積，進而測量密度。

（1）10支粉筆的質量為38.4 g，則一支粉筆的質量為m=3.84 g。

（2）依據題意，將粉筆放入盛水的量筒中，由于粉筆在水中會發生反應，產生氣泡且易吸水后沉底，導致放入粉筆后量筒中增加水的體積變小，即粉筆體積會變小，根據密度測量原理[ρ=mV]可知，測量出的“易吸水”粉筆密度會變大。

（3）由于粉筆易吸水，為此，用一層保鮮膜緊密包裹好粉筆放入水中，再利用“墜物法”將粉筆浸沒水中，用“排水法”測出粉筆的體積為[V=6 cm3]，則粉筆的密度為[ρ=mV=3.84 g6 cm3=0.64 g/cm3]。

答案：（1）3.84 （2）大粉筆易吸水導致體積變小（3）0.64 不變

二、液體密度測量

液體密度測量中液體的質量測量是關鍵，也是極易產生誤差的地方。如圖5、圖6、圖7所示，圖5中的密度表達式為[ρ=m2-m1V]，由于燒杯中液體在倒入量筒的過程中會有少量殘留，導致體積V偏小，密度ρ偏大;圖6中的密度表達式為[ρ=m2-m1V]，由于量筒中液體在倒入燒杯過程中會有少量殘留，導致質量m偏小，密度ρ偏小;圖7中的密度表達式為[ρ=m1-m2V]（方法準確）[2]。

如果缺少量筒，可以采用“等體積法”測量，如圖8所示，液體質量[m液=m3-m1]，水的體積即為瓶的容積[V液=V水=m2-m1ρ水]，液體密度表達式為[ρ液=m3-m1m2-m1?ρ水]。

備注：液體密度測量的正確步驟為：首先用天平測量液體和燒杯的總質量[m1]，然后將燒杯中的一部分液體倒入量筒中，讀出倒入量筒中液體的體積V，最后用天平測出燒杯和剩余液體的質量[m2]。

[例3]（2020·北京）下面是測量某種液體密度的主要方法及步驟：

（1）用調節好的天平測量燒杯和液體的總質量，當天平再次平衡時，如圖9甲所示，燒杯和液體的總質量為 ? ? ? ? ?g。

（2）將燒杯中的部分液體倒入量筒中，如圖9乙所示，量筒中液體的體積為 ? ?cm3。

（3）用天平測出燒杯和杯內剩余液體的總質量為74 g。

（4）計算出液體的密度為 g/cm3。

解析：本題是用天平、量筒測量液體的密度，解題的關鍵是對實驗順序的理解。

（1）天平讀數，燒杯與液體的質量為[m1=122 g]。

（2）將燒杯中部分液體倒入量筒中，倒入液體體積為[V=60 cm3]。

（4）液體密度為[ρ=m1-m2V=122 g-74 g60 cm3=0.8 g/cm3]。

答案（1）122 （2）60 （3）0.8