“液體密度秤”的制作

任少波 任志誠 張亦辰

(南京師范大學附屬中學江寧分校 江蘇 南京 211102)

1 “液體密度秤”制作的意義

物體的密度是初中物理課程中的一個重要知識點，測量物體的密度也是中考常考知識點之一，測量液體的密度又是一個難點，書本上的方法較為繁瑣.學生學完了密度、二力平衡及胡克定律等相關知識后，嘗試用所學知識制作一架“液體密度秤”有利于其對相關知識的理解，還能鍛煉他們的動手能力.

2 “液體密度秤”的制作

2.1 “液體密度秤”的構造

此“液體密度秤”的構造如圖1所示，它包括底座、支架、橡皮筋、滑輪、校零旋鈕、小水桶、平衡拉線、刻度盤等.

圖1 液體密度秤

2.2 “液體密度秤”的制作原理

2.2.1 待測液體密度的表達式

設空桶的重及其容積分別為G0和V，掛上裝滿水和待測液體的桶后橡皮筋的伸長量分別為Δl0和Δl，橡皮筋的彈性系數為κ，則有

G0+ρ水Vg=κΔl0

(1)

G0+ρ液Vg=κΔl

(2)

由式(1)、(2)聯立可解得

制作時選用容積較大且質量較小的桶，則

那么

(3)

2.2.2 刻度盤刻度標注的依據

由式(3)可得

(4)

將不同的ρ液值代入就可求出對應的Δl.

2.3 “液體密度秤”的制作

2.3.1 基礎裝配

先用“樂高積木”拼裝好底座、支架，再裝好滑輪與校零旋鈕，用結實的細棉線將支架與底座固定好，然后將空白刻度盤安裝在支架的合適位置處，最后用橡皮筋的一端將小桶系好，橡皮筋的另一端繞過支架頂部的滑輪固定好，可參照圖2.

圖2 結構示意圖

2.3.2 刻度盤刻度的標注掛上空桶時橡皮筋最下端對應的位置處標上“0”，單位可用g/cm3或×103kg/m3,將ρ液=1，2，3，…依次代入式(4)，分別計算出對應的Δl后依次標注在刻度盤上，因Δl與ρ液成正比，我們可以在相鄰的刻度之間均勻地分成10等份，則分度值就是0.1 g/cm3或0.1×103kg/m3.

3 “液體密度秤”的使用

每次使用之前都要調節調零旋鈕進行校零，再將待測液體注滿空桶(保證液體的體積為V)，待小桶穩定后橡皮筋最下端所對應的刻度就是所測液體的密度值.使用時一定要注意不要超過密度秤的量程即保證橡皮筋的伸長量在其彈性限度內.

我們先后采用教科書上的方法和自制的密度秤測量了酒精、紅茶、鹽水的密度，所測數據如表1所示.

表1 用兩種方法分別測量酒精、紅茶、鹽水所得數據

我們從以上數據可以看出誤差還是很小的，進一步分析我們還發現所測液體的密度越大則誤差就越小，這可能是因為小桶的質量與其容積的比值還比較大造成的，因此我們還要尋找質量更小且容積更大的小桶.

4 “液體密度秤”的優點與不足

4.1 優點

采用樂高積木做組裝配件，裝配起來方便靈活效率較高；測量范圍較大，可快速精確地進行校零，使用方便.

4.2 缺點

因為式(3)是在小桶的重G0較小，容積V較大的情況下得到的，所以會導致測量的結果不夠精確；還有就是當測量的液體密度較大時，由于橡皮筋受到的拉力較大，橡皮筋會在滑輪上打滑，這樣會影響測量結果的準確性.

5 結束語

學生通過參與此密度秤的制作，提高了分析問題和動手實驗的能力同時也大大地激發了其學習物理的興趣，有利于學生物理核心素養的培養.

學生通過參與此密度秤的制作還發現：原來我們身邊有很多材料甚至是廢品都可能改造成實驗的器材.這進一步激發了他們的創造力，提高了他們科學探究的積極性，為學生主動獲取新知識開辟了一種新的方法.