【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