“转换法”在密度测量中的巧妙应用

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  在初中物理学习中,“密度”这一知识点既是重点也是难点,在社会生活及现代科学技术中,密度知识的应用也十分普遍,对未知物质密度的测定具有十分重要的现实意义.根据物质密度的计算公式为ρ=m/V,通常情况下,用天平测量物质质量,用量筒测量液体或不规则(不溶于水)固体体积,然后算出物质的密度.这就是测量物质密度的一般方法.实际上,由于各种条件的局限,我们会碰到一些不能直接测得物质质量或体积的特殊例子.在此,将呈现具体事例,供大家参考.
  一、仅有天平——体积等效转换
  1.测不溶于水固体
  例1有一块形状不规则的石块,欲测量它的密度,没有量筒只有天平,你能测出它的密度吗?
  实验思路:因为没有量筒,所以要把不能直接测量的物体体积转化为可以测量的溢出水的质量,计算出水的体积,溢出水的体积等效为物体体积.
  实验器材:天平、溢水杯、细线、烧杯、水
  实验步骤:(1)用天平测出石块物质质量m、烧杯质量m1;(2)将固体用细线拴住缓缓放入溢水杯,将溢出的水用烧杯接起;(3)用天平测出烧杯和溢出水的总质量m2;(4)计算固体体积等于溢出水的体积,即:V物=V溢水=m2-m1ρ水;(5)石块密度ρ物=ρ水mm2-m1
  2.测量某液体密度
  例2有一杯牛奶,身边没有量筒只有天平,你能测出它的密度吗?
  实验思路:将不能直接测得的体积转换为可以测量的等体积水的质量,再求出水的体积,牛奶的体积与水的体积等效.
  实验器材:天平、刻度尺、烧杯(无刻度)、适量的水、足量的牛奶、细线.
  实验步骤:(1)用调节好的天平,测出空烧杯的质量m0;(2)将适量的水倒入烧杯中,用天平测出烧杯和水的总质量m1,用刻度尺量出水面达到的高度h(或用细线标出水面的位置);(3)将水倒出,在烧杯中倒入牛奶,使其液面达到h处(或达到细线标出的位置),用天平测出烧杯和牛奶的总质量m2.因为V牛=V水,所以ρ牛=m牛m水ρ水=m2-m0m1-m0ρ水.
  二、仅有量筒——质量等效转换
  例3小红家有一个空心的废牙膏皮,想利用量筒和水测定牙膏皮的密度,请帮助她完成.
  实验思路:空心的牙膏皮可以漂浮在水面上,利用漂浮F浮=G物的原理,通过测得浮力从而知道物体质量.
  实验步骤:(1)在量筒内倒入适量的水,记下量筒的示数为V0;(2)使空牙膏皮漂浮在量筒中,记下量筒的示数为V1,则G物=F浮=ρ水(V1-V0)g; (3)将空牙膏皮卷成团,把空气排除,浸没在量筒的水中,记下量筒中的水示数为V2,则物体体积为V物=V2-V0.
  牙膏皮密度的表达式: ρ=V1-V0V2-V0ρ水.
  三、仅有弹簧秤——固液密度等效转换
  例4某同学手边只有:一个弹簧测力计、一根细线、两个烧杯和足量的水,他能测出石块的密度吗?
  实验思路:用弹簧秤读数法测出石块在水中的浮力,就可以知道石块的体积.
  实验步骤:(1)用弹簧秤测出石块的重力,算出质量m物=G物g;(2)将石块挂在弹簧秤下并浸没水中,读出弹簧秤示数,求得浮力F浮=G物-F读;(3)算出V物=V排=G物-F读p液g.
  在本实验中,若已知液体密度,则可以求得固体密度ρ物=G物p液G物-F读.若已知固体密度,则可以求得液体密度ρ液 =(G物-F读)p物G物.
  四、既无天平也无量筒——压强等效转换
  例5利用下列实验器材:刻度尺、两端开口的直玻璃管(一端扎有橡皮膜)、烧杯(无刻度)、适量的水、足量的牛奶、细线,测量牛奶的密度.
  实验步骤:(1)烧杯中倒入适量的水;(2)将适量的牛奶倒入直玻璃管中,让扎有橡皮膜的一端放在水平桌面上,用刻度尺测出牛奶的高度h牛.
  (3)将直玻璃管缓缓放入烧杯的水中,观察橡皮膜的凹陷程度,直到橡皮膜呈水平状态时为止.用刻度尺测出橡皮膜到水面的高度h水,如图乙.
  实验结果:当橡皮膜呈水平状态时,牛奶对橡皮膜向下的压强等于谁对橡皮膜向上的压强.即P牛=P水,ρ牛gh牛=ρ水gh水,牛奶的密度:ρ牛=h水h牛ρ水.
  总之,“转换法”将无法直接测量的物体体积或质量转化为可以测量(或计算)的体积与质量相当的量,从而达到测量目的.这种思路与方法在学习中有广泛的应用.
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