王春鋒
(高郵市汪曾祺學(xué)校 江蘇 揚州 225600)
另外介紹一種測量形狀不規(guī)則的吸水固體密度的方法.
利用上式測量形狀不規(guī)則的固體密度時,可以用天平較為準(zhǔn)確地測量出其質(zhì)量,但體積則因是否可溶(或吸水)而不易精確測量.故對于不溶于水的固體 ,我們可用利用靜力稱衡法來間接測其密度; 對于可溶性固體微粒[2],形狀不規(guī)則的吸水固體其質(zhì)量m用物理天平測出,其體積用下述方法測出: 以細(xì)沙作為填充物,先將細(xì)沙放入量筒中,測出其體積V1; 然后將待測物放入細(xì)沙中,測出它們的共同體積V2,則V2-V1即為待測物的體積V[3].
案例1:在測量小石塊密度時設(shè)計了如下實驗步驟.
(1)將托盤天平放在水平工作臺上,并進(jìn)行調(diào)零.
(2)將小石塊放在左盤中,通過加減砝碼與移動游碼的方式測得石塊的質(zhì)量m.
(3)然后在量筒內(nèi)倒入適量的水(既要能淹沒小石塊,又不能超過量筒的量程),記下此時水面所對應(yīng)的刻度值V0.
(4)用細(xì)線將石塊綁住,并慢慢浸沒到量筒里的水中,記下此時量筒示數(shù)為V.
(5)根據(jù)以上測量值,利用公式計算出石塊的密度ρ.
正常情況下,如果石塊具有吸水性,則將其浸沒到量筒的水中時,石塊會吸收一部分水,那么記錄的體積測量值V會偏小,導(dǎo)致密度測量偏大.按理到此,該實驗的密度誤差分析便結(jié)束了,但實際教學(xué)中,有學(xué)生提出石塊若吸水,則說明石塊內(nèi)部有空隙,空隙部分的體積是否算到石塊的體積中?若算的話,那么石塊的體積便變大了,那么排開液體的體積也變大,石塊體積的測量值V應(yīng)該偏大,密度測量偏小.由此跟之前的誤差分析便產(chǎn)生了矛盾,從而引發(fā)我們的思考.
誤差分析一:
首先,我們需要明確,我們測量的物質(zhì)究竟是誰?是組成石塊的這種物質(zhì)還是石塊與內(nèi)部空隙中空氣所組成的混合物體對應(yīng)的混合物質(zhì)?由于密度是物質(zhì)的物理屬性,按此層面看,我們測量的是組成石塊的這種物質(zhì)的密度,若石塊不吸水,則我們默認(rèn)石塊內(nèi)部為實心,則排開水體積便是石塊體積;若石塊吸水,那么吸入的那部分水去哪了?是組成石塊這種物質(zhì)的內(nèi)部?還是因為石塊內(nèi)部存在空隙?因此我們再次分成兩種情況,若石塊吸入的水以擴(kuò)散的方式進(jìn)入石塊物質(zhì)的內(nèi)部,由于分子間存在空隙,故導(dǎo)致石塊本身的體積無較大變化,但由于吸水,導(dǎo)致宏觀上排開水的體積偏小,測量的石塊體積也偏小;但若石塊內(nèi)部存在空隙,石塊吸入的水進(jìn)入石塊內(nèi)部的空隙,由于石塊表面的硬度大,故石塊本身的體積亦無變化,但石塊內(nèi)部空隙所占的體積不應(yīng)算到石塊的體積之內(nèi),因此在這種情況下,石塊即便不吸水(即石塊內(nèi)部有空隙,但實驗前在石塊表面涂上潤滑油等物質(zhì)進(jìn)行密封,用以隔水),則排開水的體積=石塊體積+石塊內(nèi)部空隙的體積,故石塊體積的測量值偏大.
案例2:在測量木塊密度時設(shè)計了如下實驗步驟.
(1)將托盤天平放在水平工作臺上,并進(jìn)行調(diào)零.
(2)將木塊放在左盤中,通過加減砝碼與移動游碼的方式測得木塊的質(zhì)量m.
(3)然后在量筒內(nèi)倒入適量的水(既要能淹沒小木塊,又不能超過量筒的量程),記下此時水面所對應(yīng)的刻度值V0.
(4)用細(xì)針將木塊按壓,使其慢慢浸沒到量筒里的水中,記下此時量筒示數(shù)為V.
(5)根據(jù)以上測量值,利用公式計算出石塊的密度ρ.
誤差分析二:
木塊密度測量的誤差分析與石塊的較為相似,但略有不同,石塊表面硬度較大,無論是何種吸水方式,其體積變化不大,但木塊吸水后容易膨脹,物體膨脹,排開水的體積應(yīng)該偏大,而木塊吸收了一部分水,排開的水應(yīng)該偏小,兩種角度相互矛盾,那么木塊吸水,測量出來的體積是偏大還是偏???問題較為復(fù)雜.那么現(xiàn)在,我們就把問題具體化來分析.
木塊這種物質(zhì)不比石塊,其內(nèi)部物質(zhì)組成稀疏,存在空隙,故我們以此種情況進(jìn)行詳細(xì)分析,假設(shè)木塊實際體積為V1,內(nèi)部木塊空隙體積為V2,量筒原有水體積V0,若木塊不吸水(實驗前在其表面包上塑料薄膜用以隔水),則排開水的體積為V1+V2,而木塊吸水后,原則上是吸收V2的水,但由于木塊表面硬度小,吸水后,內(nèi)部壓強大,故木塊此時容易膨脹,導(dǎo)致吸收的水體積大于V2,設(shè)為V3,則此時排開水的體積為V1+V0-V3,而未吸水前,排開水的體積為V1+V0-V2,故以此角度看,排開水的體積偏小,即木塊體積偏小,密度偏大.
方法一:假設(shè)補償法
案例3:減小因固體吸水導(dǎo)致的密度測量誤差而設(shè)計的實驗步驟如下.
(1)將托盤天平放在水平臺上,通過調(diào)節(jié)天平橫梁使得天平平衡.
(2)然后用天平測出木塊的質(zhì)量m.
(3)接著在量筒中裝入適量的水(既要能淹沒小木塊,又不能超過量筒的量程),讀出此時量筒的示數(shù)為V1.
(4)用鋼針將木塊按壓,并浸沒在量筒的水中,過段時間后讀出此時量筒的示數(shù)V2.
(5)之后將木塊從量筒中取出,用干毛巾擦去木塊表面殘留的水珠后,再次利用天平稱量其質(zhì)量是m1.
方法二:固體浸沒前,在木塊表面涂上一層潤滑油或者包上一層薄膜,以防止外界的水與固體接觸,從而減小固體由于吸水而造成實驗誤差.
方法三:在固體測量體積前,先讓該固體吸足水,但前提是該固體表面硬度較大,不會因吸水后導(dǎo)致體積膨脹變大,這樣吸足水的固體測量體積時,無容量來吸收多余的水,盡可能減小實驗誤差.
由于密度的影響因素較多,故物質(zhì)密度測量的誤差原因也較多,本文主要從物體吸水而導(dǎo)致密度測量有誤差的角度進(jìn)行分析討論,并明確測量的是物質(zhì)的密度,本質(zhì)是計算得到物質(zhì)密度,其間接通過測量物體的質(zhì)量、體積,以此為橋梁,并利用密度公式來得到物質(zhì)密度.