【分析】
本题是利用天平间接测量矿石密度的实验题,解题思路如下:
1. 对于天平的调节,先回忆天平的使用规范:游码需先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,指针左偏说明左侧偏重,平衡螺母向相反方向(右)调节。
2. 添加砝码的工具需用镊子,避免砝码锈蚀;总质量为砝码总质量与游码对应刻度值之和。
3. 利用力的作用相互性和阿基米德原理,通过天平示数的变化间接求矿石体积:矿石浸没时,对水的压力等于浮力,对应天平增加的质量为排开水的质量,进而得到矿石体积;矿石沉底时,总质量与烧杯水总质量的差值为矿石质量,再用密度公式计算密度。
4. 分析游码未归零的误差:由于实验中测量的是质量差值,游码未归零的初始误差会在差值中抵消,因此密度结果不受影响。
【解析】
(1) 使用天平前,需将游码移到标尺的0刻度线处;指针左偏,说明天平左侧较重,应将平衡螺母向右调节,直至天平平衡。
(2) 为防止砝码生锈,添加砝码时必须用镊子;由图(b)可知,砝码总质量为$100\,\mathrm{g}+20\,\mathrm{g}=120\,\mathrm{g}$,游码对应刻度为$4\,\mathrm{g}$,因此烧杯和水的总质量$m_1=120\,\mathrm{g}+4\,\mathrm{g}=124\,\mathrm{g}$。
(3) 图(c)中,天平总质量为$144\,\mathrm{g}$,天平增加的质量$\Delta m_1=144\,\mathrm{g}-124\,\mathrm{g}=20\,\mathrm{g}$,根据力的作用相互性和阿基米德原理,该质量等于矿石排开水的质量$m_{\mathrm{排}}$,矿石浸没时$V=V_{\mathrm{排}}$,因此矿石体积$V=\frac{m_{\mathrm{排}}}{\rho_{\mathrm{水}}}=\frac{20\,\mathrm{g}}{1.0\,\mathrm{g/cm}^3}=20\,\mathrm{cm}^3$;
图(d)中,天平总质量为$174\,\mathrm{g}$,矿石的质量$m=174\,\mathrm{g}-124\,\mathrm{g}=50\,\mathrm{g}$,矿石的密度$\rho=\frac{m}{V}=\frac{50\,\mathrm{g}}{20\,\mathrm{cm}^3}=2.5\,\mathrm{g/cm}^3$。
(4) 调节平衡螺母前游码未归零,相当于天平初始存在“额外质量”,但实验中测量的是质量差值(如矿石质量、排开水的质量均为两次总质量的差),该“额外质量”会在差值中抵消,因此测算出的矿石密度不变。
【答案】
(1) 0刻度线;右
(2) 镊子;124
(3) 20;2.5
(4) 不变
【知识点】
天平的使用;密度的测量;阿基米德原理
【点评】
本题突破了传统用量筒测体积的限制,巧妙结合天平、力的相互性和阿基米德原理完成实验,既考查了天平的规范操作,又要求学生灵活运用力学和密度的相关知识,对实验拓展思维有一定要求。
【难度系数】
0.6