实验 密度的测量
·【实验目的】
1、 学习用流体静力称衡法测量固体和液体的密度。
2、掌握物理天平的正确使用方法。
·【实验仪器】
物理天平、游标卡尺、水杯及待测样品(铜圆柱体,盐水)。
·【实验原理】
1、固体的密度的测量: (一)规则物体的密度测量:
设物体质量为m ,体积为V ,则该物体的密度为
V
m
=
ρ (1) 对形状规则的圆柱体,质量m 可由物理天平称出,体积V 可以直接测量物体的外形尺寸,然后应用几何公式计算出来。
即:
h d V 2
4
1π= (2)
其中d 是圆柱体直径:h 是圆柱体高度。
于是
h
d m
24πρ= (3) (二)不规则物体的密度测量:
(1) ρ﹥1的固体
根据阿基米德原理,物体浸在液体中所减少的重量(P 1-P 2),即受到的浮力:等于它所排开同体积液体的重量。
故有 Vg P P t ρ=-21
(4)
如果用天平分别称出物体在空气中的质量m 1(g m P 11=)及物体浸没在水中的表现质量m 2(g m P 22=),则()g m m 21-就等于物体与同体积的水的重量,
()21m m -即为这部分水的质量。
物体所排开的水的体积(即物体的体积)为
t
m m V ρ2
1-=
(5)
则固体的密度:
2
11
m m m t
-=ρρ (6)
这就是流体静力称衡法的基本原理。
(2) ρ﹤1的固体
设待测物(ρ﹤1)在空气中的质量为2m ,辅助物(ρ﹥1)在空气中的质量和浸没于水中的表观质量分别为0m 和1m ,将两个物体连在一起后完全浸没于水中的表观质量为3m ,则辅助物和待测物一起完全浸没于水中时受到的浮力为
g m m m F )(302'-+=
而待测物浸没于水中时受到的浮力则为
g m m g m m m Vg F )()(10302---+==水ρ
即待测物体积: 水ρ/)(312m m m V
-+=
由定义式V m /2=ρ可得待测物密度
3
122m m m m -+=
水ρρ
2、液体的密度测量:
此法要借助于不溶于水并且和被测液体不发生化学反应的物体(一般用玻璃块)。
设物体的质量为1m ,将其悬吊且浸没在被测液体中的称衡值为3m ,悬吊且浸没在水中的称衡值为2m ,则参照上述讨论,可得液体的密度ρ等于
2
13
1m m m m t
--=ρρ (7)
·【实验内容与步骤】
(一)测量圆柱体的密度:
1、用游标卡尺测量圆柱体的直径和高度,每个物理量测5次,并将测量结果记录于表(1)中。
按直接测量结果表示的要求,计算它们的不确定度,并将测量结果表示出来。
2、用物理天平测量圆柱体的质量。
只要求测量一次。
按只测一次确定不确
定度的方法,将测量结果表示出来。
3、按数据处理的方法,把圆柱体密度的测量结果表示出来。
(二)用流体静力称衡法测固体的密度:
1、用天平测不规则物体在空气中的质量
m和全部浸没在水中的质量2m。
只
1
要求测一次,按只测一次时确定不确定度的方法,将测量结果表示出来。
2、用温度计测出水的温度t, 查表确定水的密度
ρ。
t
3、计算ρ和
∆, 完整表示测量结果。
ρ
(三)用流体静力称衡法测液体的密度:
1、用天平测固体在空气中的质量
m和全部浸没在水中的质量2m及全部浸
1
没在被测液体中的质量
m。
只要求测一次,按只测一次时确定不确定度的方法,
3
将测量结果表示出来。
·【数据记录及结果处理】
0)
天平感量kg 天平最大称量kg
查表得室温下水的密度
ρ= (kg/m3)
t
计算:
(!)测规则铜圆柱体的密度:
()
=--=
∑=)
1(1
2
n d
d
S n
i i
d ;22
i d
d S ∆+=∆= ; =∆±=d d d (注意:游标卡尺的零点读数)
()
=--=
∑=)
1(1
2
n h h S n
i i
h ;22
i h h S ∆+=∆= ;
=∆±=h h h
==
h
d m 2
1
4πρ (kg/m 3)
2
22
121
⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=h d m h d m σσσρσρ
= =•
=ρ
σρσρρ (kg/m 3)
=±=ρσρρ (kg/m 3)
(2)静力称衡法测不规则固体密度:
t m m m ρρ2
11-=
= (kg/m 3)
22
2122
211
21111m m m m m m m σσρσρ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--== ρ
σρσρρ•
== (kg/m 3)
=±=ρσρρ (kg/m 3)
(3)用流体静力称衡法测液体的密度:
t m m m m ρρ2
131--=
= (kg/m 3)
223122
2122
21313211111m m m m m m m m m m m σσσρσρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛---== ρ
σρσρρ•
== (kg/m 3)
=±=ρσρρ (kg/m 3)
·【实验教学指导】
1.本实验在操作中首先要做好天平的调节,这是非常关键的一步。
2.在实验过程中学生常常容易发生违规操作行为(在横梁抬起的情况下进行具体操作等),教师需不断提示。
3.称衡平衡时指针不得偏离平衡刻线一小格(不论左或右),因砝码最小配置与刻度尺最小分度值相同。
4.读取估读数据时,要注意指针的偏转方向,以便对估读值进行修正。
·【附录】 物理天平的使用介绍
物理天平的构造如图2-3-1所示,在横梁上装有三角刀口A 、F 1、F 2,中间刀口A 置于支柱顶端的玛瑙刀垫上,作为横梁的支点。
两边刀口各悬挂秤盘P 1、 P 2,横梁的下方固定一个指针,当横梁摆动时,指针尖端就在支柱的下方标尺前摆动,制动旋钮可以使横梁上升或下降。
当横梁下降时,制动架就会把它托住,以免刀口磨损。
横梁两端各有一平衡螺母B 1 、B 2,用于空载时调节平衡。
横梁上装有游码D ,用于1g 以下的称衡。
图2-3-1 物理天平
物理天平的规格由最大称量和感量(或灵敏度)来表示,最大称量是天平允许称量的最大质量。
感量就是天平的指针从标度尺上零点平衡位置转过一个最小分格时,天平两端秤盘上的质量差。
灵敏度是感量的倒数,感量越小灵敏度就越高。
物理天平的操作步骤:
(1)水平调节:使用天平时,首先调节天平底坐下两个螺钉L 1 、L 2,使水准仪中的气泡位于圆圈线的中央位置(或使悬挂的锥尖与底坐锥尖对齐)
(2)零点调节:天平空载时,将游码拨到左端与0刻线对齐,使两端秤盘悬挂在悬挂在刀口上并顺时钟旋转制动旋钮Q ,启动天平、观察天平是否平衡。
当指针在刻度尺S 上来回摆动,左右摆幅近似相等,便可以认为天平已达到了平衡。
如果不平衡,反时针方向旋转制动旋钮Q ,使天平制动,调节横梁两端的平衡螺母1B 、2B ,再用前法判断平衡,直至达到空载平衡为止。
(3)称衡:把待测物体放置左盘中,右盘中放置砝码,轻轻右旋制动旋钮Q 使天平启动,观察天平向哪边倾斜,立即反向旋转制动旋钮Q ,使天平制动,酌情增减砝码及移动游码,再启动,观察天平倾斜情况。
如此反复调整,直到天平能够左右对称平衡摆动,使天平达到平衡,此时砝码的质量就是待测物体的质量。
称衡时选用砝码应由大至小,逐个试用,直到最后利用游码使天平平衡。
天平的维护方法:
(1)天平的负载量不得超过其最大称量,以免损坏刀口或压弯横梁。
(2)刀口受冲击而损坏,在取放物体、取放砝码、调节平衡螺母以及不使用天平时,都必须使天平制动。
只是在判断天平是否平衡时才将天平启动。
天平启动或制动时,旋转制动旋钮动作要轻。
(3)砝码不能用手拿取,只能用镊子夹取。
从秤盘上取下砝码应立即放入砝码盒中。
(4)天平的各个部分以及砝码要防锈、防腐蚀,高温物休以及腐蚀性的化学药品不得直接放在盘内称衡。
(5)称衡完毕将制动旋钮向左旋转、放下横梁,并将秤盘拿离刀口。