【分析】
这道题分为测量小石块和小瓷杯密度两部分,可分模块逐步分析:
1. 测小石块密度:
首先回忆天平的使用规则,使用前的调平操作是固定步骤,必须放在水平台、游码归零后调平衡螺母。
质量测量需结合砝码和游码的示数,注意标尺的分度值;体积通过量筒的液面差计算,最后用密度公式$\rho=\frac{m}{V}$求解,注意单位换算。
2. 测小瓷杯密度:
瓷杯的体积可通过浸没时量筒的示数差直接得到,因为浸没时排开水的体积等于自身体积。
瓷杯漂浮时,利用“漂浮时浮力等于重力”的条件,结合阿基米德原理推导瓷杯的质量,再代入密度公式得到密度表达式。
误差分析时,考虑杯内残留水的影响:残留水的重力会对应额外的排开水的体积,两者的影响相互抵消,最终不影响瓷杯质量和体积的测量结果,所以密度不变。
【解析】
(1) 测小石块的密度
① 根据天平的使用规范,天平应放置于水平工作台上,将游码移到标尺左端零刻度线处,再调节平衡螺母使横梁平衡。
② 计算小石块的质量:
砝码总质量为$10\,\mathrm{g}+5\,\mathrm{g}=15\,\mathrm{g}$,标尺分度值为$0.2\,\mathrm{g}$,游码对应刻度为$2.4\,\mathrm{g}$,因此石块质量$m=15\,\mathrm{g}+2.4\,\mathrm{g}=17.4\,\mathrm{g}$。
计算小石块的体积:
量筒中水的初始体积$V_{\mathrm{水}}=30\,\mathrm{mL}$,放入石块后总体积$V_{\mathrm{总}}=35\,\mathrm{mL}$,石块体积$V=V_{\mathrm{总}}-V_{\mathrm{水}}=35\,\mathrm{mL}-30\,\mathrm{mL}=5\,\mathrm{mL}=5\,\mathrm{cm}^3$。
计算小石块的密度:
根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,代入数据得$\rho=\frac{17.4\,\mathrm{g}}{5\,\mathrm{cm}^3}=3.48\,\mathrm{g/cm}^3=3.48×10^3\,\mathrm{kg/m}^3$。
(2) 测小瓷杯的密度
瓷杯的体积:瓷杯浸没在水中时,排开水的体积等于自身体积,即$V_{\mathrm{杯}}=V_2-V_1$。
瓷杯的质量:瓷杯漂浮时,浮力等于重力,即$G_{\mathrm{杯}}=F_{\mathrm{浮}}$。根据阿基米德原理,$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{水}}g(V_3-V_1)$,又$G_{\mathrm{杯}}=m_{\mathrm{杯}}g$,联立得$m_{\mathrm{杯}}g=\rho_{\mathrm{水}}g(V_3-V_1)$,化简得$m_{\mathrm{杯}}=\rho_{\mathrm{水}}(V_3-V_1)$。
瓷杯的密度:将质量和体积代入密度公式,得$\rho_{\mathrm{杯}}=\frac{m_{\mathrm{杯}}}{V_{\mathrm{杯}}}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}(V_3-V_1)}{V_2-V_1}$。
误差分析:若小瓷杯内的水未倒干净,残留水的重力会使排开水的体积增加,但残留水的重力与额外排开水的重力相互抵消,最终瓷杯质量和体积的测量值均不受影响,因此所测结果不变。
【答案】
(1) ① 水平;左端零刻度线
② $17.4$;$3.48×10^3$
(2) $\boldsymbol{\frac{\rho_{\mathrm{水}}(V_3-V_1)}{V_2-V_1}}$;不变
【知识点】
1. 天平的使用
2. 密度的测量
3. 漂浮条件应用
【点评】
本题结合了两种固体密度的测量方法:常规的“天平+量筒”法和利用漂浮法的间接测量法,既考查了基本实验仪器的操作技能,又要求学生灵活运用密度公式、漂浮条件和阿基米德原理,同时需具备误差分析的能力,综合性较强。
【难度系数】
0.6