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信息发布者:
$2.8×10^{3}$
$\frac{V_{2}-V_{1}}{V_{3}-V_{1}}\rho_{水}$
降低
20.00
$1.15×10^{3}$
$18×10^{3}$
【分析】
本题是测量不规则金属块密度的实验题,需结合天平使用规则、密度公式、漂浮条件等知识逐一分析:
1. 第(1)问:天平调平需遵循“先移游码,后调螺母”的步骤,先将游码移到标尺左端零刻度线处,再根据指针偏转方向调节平衡螺母,图甲指针偏左,平衡螺母应向右调。
2. 第(2)问:小明游码未归零就测量,需计算金属块实际质量:砝码总质量加上游码实际移动的刻度值;再通过量筒两次示数差得到金属块体积,最后用密度公式计算密度。
3. 第(3)问:利用漂浮条件,金属块重力等于小筒增加的浮力,从而得到金属块质量;金属块沉入水底时,量筒示数差为其体积,再结合密度公式推导表达式。
【解析】
(1) 天平置于水平台面上后,首先应将游码移至标尺左端零刻度线处,此时图甲中指针偏向分度盘左侧,说明左侧较重,需将平衡螺母向右调节直至指针指向分度盘的中央刻度线。
(2) 计算金属块实际质量:
砝码总质量$m_{砝}=20\ \mathrm{g}+5\ \mathrm{g}=25\ \mathrm{g}$,
游码实际移动的刻度值$\Delta m=3.4\ \mathrm{g}-0.4\ \mathrm{g}=3\ \mathrm{g}$,
金属块质量$m=25\ \mathrm{g}+3\ \mathrm{g}=28\ \mathrm{g}$;
金属块体积$V=40\ \mathrm{mL}-30\ \mathrm{mL}=10\ \mathrm{mL}=10\ \mathrm{cm}^3$,
根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,得金属块密度:
$\rho=\frac{28\ \mathrm{g}}{10\ \mathrm{cm}^3}=2.8\ \mathrm{g/cm}^3=2.8×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$。
(3) 金属块放在小筒上漂浮时,根据漂浮条件$G=F_{浮}$,可得$G=\rho_{水}g(V_{2}-V_{1})$,则金属块质量$m=\frac{G}{g}=\rho_{水}(V_{2}-V_{1})$;
金属块沉入水底时,体积$V=V_{3}-V_{1}$;
因此金属块密度$\rho_{金属}=\frac{m}{V}=\frac{\rho_{水}(V_{2}-V_{1})}{V_{3}-V_{1}}=\frac{V_{2}-V_{1}}{V_{3}-V_{1}}\rho_{水}$。
【答案】
(1) 将游码移至标尺左端零刻度线处;将平衡螺母向右调节直至指针指向分度盘的中央刻度线
(2) $2.8×10^3$
(3) $\frac{V_{2}-V_{1}}{V_{3}-V_{1}}\rho_{水}$
【知识点】
天平的使用;密度的计算;漂浮条件的应用
【点评】
本题涵盖常规密度测量和间接测量两种方法,既考查天平使用的细节易错点,又要求灵活运用阿基米德原理与密度公式,综合性较强,能有效检验学生对实验原理的理解和应用能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
解题思路:
1. (1)①的思考:空的圆柱形塑料桶重心较高,放入硬币可降低整体重心,使桶能竖直稳定漂浮,避免倾倒。刻度尺读数时,需注意甲图刻度尺分度值为1mm,要估读到分度值的下一位,因此读数为20.00cm。
2. (1)③测酱油密度:
核心思路:利用漂浮条件(漂浮时物体所受浮力等于自身重力),桶和硬币的总重力不变,因此在水和酱油中漂浮时受到的浮力相等。
步骤:设桶的底面积为$ S $,分别对桶在水、酱油中的漂浮状态列浮力等于重力的等式,通过等式消去相同物理量($ g $、$ S $),代入已知数据计算酱油密度。
3. (2)⑤测项链密度:
核心思路:先通过步骤④求出项链的质量(利用漂浮条件,总浮力的增加量等于项链的重力),再通过步骤⑤求出项链的体积(对比④和⑤的排开水的体积,差值即为项链的体积),最后用密度公式$ \rho = \frac{m}{V} $计算项链密度。
步骤:
① 由步骤④,结合漂浮条件,推导项链的质量表达式;
② 由步骤⑤,结合漂浮条件和阿基米德原理,推导项链的体积表达式;
③ 将质量和体积代入密度公式,消去未知量(桶的底面积$ S $),计算项链的密度。
【解析】
(1) 测酱油的密度
① 将硬币放入塑料桶,目的是使塑料桶和硬币整体的重心降低,保证桶竖直漂浮;
由图甲刻度尺可知,分度值为1mm,读数为$ 20.00 \ \mathrm{cm} $。
③ 设桶的底面积为$ S $,桶和硬币的总重力为$ G $:
桶在水中漂浮时,根据漂浮条件:$ G = F_{\mathrm{浮水}} = \rho_{\mathrm{水}}gS(L - h_1) $
桶在酱油中漂浮时,根据漂浮条件:$ G = F_{\mathrm{浮酱油}} = \rho_{\mathrm{酱油}}gS(L - h_2) $
因为总重力$ G $不变,所以:
$\rho_{\mathrm{水}}gS(L - h_1) = \rho_{\mathrm{酱油}}gS(L - h_2)$
约去$ g $、$ S $,代入$ L=20.00\ \mathrm{cm} $,$ h_1=8.50\ \mathrm{cm} $,$ h_2=10.00\ \mathrm{cm} $,$ \rho_{\mathrm{水}}=1×10^3\ \mathrm{kg/m^3} $:
$\rho_{\mathrm{酱油}} = \rho_{\mathrm{水}} · \frac{L - h_1}{L - h_2} = 1×10^3\ \mathrm{kg/m^3} × \frac{20.00\ \mathrm{cm}-8.50\ \mathrm{cm}}{20.00\ \mathrm{cm}-10.00\ \mathrm{cm}} = 1.15×10^3\ \mathrm{kg/m^3}$
(2) 测项链的密度
⑤ 设项链的质量为$ m $,体积为$ V $,桶的底面积为$ S $:
由步骤④,项链在桶中漂浮时,总重力等于总浮力:$ G + mg = \rho_{\mathrm{水}}gS(L - h_3) $
已知$ G = \rho_{\mathrm{水}}gS(L - h_1) $,代入得:
$ mg = \rho_{\mathrm{水}}gS[(L - h_3)-(L - h_1)] = \rho_{\mathrm{水}}gS(h_1 - h_3) $
约去$ g $,得项链质量:$ m = \rho_{\mathrm{水}}S(h_1 - h_3) $
由步骤⑤,项链粘在桶底漂浮时,总浮力等于总重力:
$ \rho_{\mathrm{水}}g[S(L - h_4) + V] = G + mg = \rho_{\mathrm{水}}gS(L - h_3) $
约去$ \rho_{\mathrm{水}}g $,整理得项链体积:
$ V = S[(L - h_3)-(L - h_4)] = S(h_4 - h_3) $
根据密度公式$ \rho = \frac{m}{V} $,代入$ m $和$ V $的表达式:
$\rho_{\mathrm{项链}} = \frac{\rho_{\mathrm{水}}S(h_1 - h_3)}{S(h_4 - h_3)} = \rho_{\mathrm{水}} · \frac{h_1 - h_3}{h_4 - h_3}$
代入$ h_1=8.50\ \mathrm{cm} $,$ h_3=4.00\ \mathrm{cm} $,$ h_4=4.25\ \mathrm{cm} $:
$\rho_{\mathrm{项链}} = 1×10^3\ \mathrm{kg/m^3} × \frac{8.50\ \mathrm{cm}-4.00\ \mathrm{cm}}{4.25\ \mathrm{cm}-4.00\ \mathrm{cm}} = 18×10^3\ \mathrm{kg/m^3}$
【答案】
(1) ① 降低;$\boldsymbol{20.00}$;③ $\boldsymbol{1.15×10^3}$
(2) ⑤ $\boldsymbol{18×10^3}$
【知识点】
1. 漂浮条件(浮力等于重力)
2. 阿基米德原理
3. 密度公式的应用
【点评】
本题是浮力的综合应用题,需要结合漂浮条件和阿基米德原理,通过引入中间量(桶的底面积$ S $)建立等式,消去未知量求解。题目注重逻辑推导,要求学生能灵活运用浮力相关规律,将复杂的物理过程拆解为简单的受力分析和公式推导,对学生的物理思维和计算能力有一定考验。
【难度系数】
0.35