2025年高考浮力知識測定物質密度的思考

　　浮力知識測定物質密度的思考

　　浮力的知識是初中物理力學的綜合，它是平衡力、液體的壓力和壓強、物質的密度和質量等知識的綜合，是中考的一個重要考點，特別是浮力與物質密度的測定的結合，它不僅能考查學生靈活運用知識的能力，而且能拓展學生實驗設計和操作能力，本文將對浮力知識測量物質密度的方法和技巧進行分析。

　　我們知道計算浮力的方法有三個：稱重法（F浮=G－F）；阿基米德原理（F浮=G排液=ρ液gV排）；平衡法（漂浮與懸浮時F浮=G）。阿基米德原理是計算浮力普遍適用的方法，而稱重法與平衡法都有一定的局限性，稱重法主要用在放入液體中下沉的物體（即所謂的“沉體”），平衡法主要應用于漂浮的物體（即所謂的“浮體”），下面我們從“沉體”和“浮體”兩方面來討論測物質密度的特點。

　　一、利用“沉體”測密度

　　例1某彈簧測力計下面掛玻璃球時示數為4N，當玻璃球浸沒在水中時示數為2N，當玻璃球浸沒在某液體中時示數為3N，則玻璃球和某液體的密度分別為多少？

　　分析：玻璃的密度ρ=m/V，由于玻璃球在水中下沉而浸沒在水中，所以排開水的體積就是玻璃的體積，而排開水的體積可以通過水中的浮力來考慮，對于在水中下沉的玻璃球，它的浮力可以利用彈簧測力計通過稱重法來測量，同時彈簧測力計還測量了玻璃球的重力從而得到它的質量，這樣玻璃球的密度就可以獲得。同樣液體的密度可以利用阿基米德原理，通過玻璃球在液體中的浮力來考慮，浸沒在液體中的玻璃球的浮力也可以通過稱重法來計算，排開液體的體積就是排開水的體積。

　　解：F浮水=G－F水=ρ水gV排水①

　　F浮液=G－F液=ρ液gV排液②

　　∴V玻=V排水==m3

　　∴ρ玻===2000

　　將①／②得：

　　∴ρ液=ρ水=500

　　從例1的解析可以發(fā)現：利用“沉體”測物質密度重要的工具是彈簧測力計，特點是“沉體”排開液體的體積等于物體的體積。而且通過這個例題發(fā)現：彈簧測力計結合某個“沉體”可以改裝成測液體密度的密度計。根據例一，彈簧測力計結合玻璃球可得如圖的密度計：2N處對應水的密度1000kg/m3；3N處對應液體密度為500kg/m3；4N是空氣中的讀數，相當于浸沒在密度為0的液體中，所以此處對應液體的密度為0kg/m3，即是密度計的零刻度；而0N時彈簧測力計對玻璃球沒有拉力，玻璃球相當于懸浮在液體中，該處對應的液體密度等于玻璃球的密度2000kg/m3。而且它的刻度是均勻的，測量范圍是0～2000kg/m3，從上到下為從大到小，零刻度在下面，最小刻度為100kg/m3，根據這些數據當彈簧測力計下的玻璃球浸沒在某種液體中可以直接讀出液體的密度，如圖指針在箭頭位置，則液體的密度可直接讀出為1200kg/m3。

　　二、利用“浮體”測密度

　　例2現有一塊長方體小木塊，一杯牛奶，如何利用浮力知識測量木塊和牛奶的密度？

　　分析：當木塊在液體中漂浮時G木=m木g=F浮=ρ液gV排

　　∴只要ρ液已知（常選用水），V排測出（常用量筒）可得到木塊的質量，而用細針讓木塊浸沒在量筒的水中，可以得到木塊的體積。

　　同樣測出木塊的質量后，再用量筒測出木塊排開牛奶的體積就可得到牛奶的密度。

　　∴本實驗的器材為量筒、足量的水、細針。

　　測量的過程如下：

　　⑴在量筒中裝入適量的水，記下水面的刻度為V1

　　⑵讓木塊漂浮在量筒中的水面上，記下此時水面的刻度為V2

　　⑶用細針將木塊浸沒在量筒的水中，記下此時水面的刻度為V3

　　⑷將量筒中水換成適量牛奶，記下牛奶面的刻度為V4

　　⑸將木塊漂浮在量筒中的牛奶面上，記下此時牛奶面的刻度為V5

　　這樣ρ木==ρ牛奶==

　　從例2可以發(fā)現：利用“浮體”測密度主要工具為量筒或量杯，“浮體”的重力等于“浮體”受到的浮力是解決這類問題的關鍵。如果“浮體”是一個規(guī)則的物體，測量密度更方便：只須燒杯、水、刻度尺和待測液體不需要量筒。過程如下圖：

　　用刻度尺測出規(guī)則“浮體”的長度L及投入水中后露出水面的高度h（如上圖），則“浮體”的密度為。

　　若投入某液體中露出液面的高度為h′（如上圖），那么液體的密度為。

　　由上題得到啟示：在規(guī)則的“浮體”側面刻上均勻的刻度，可以使它成為一個密度計，刻度可以這樣來確定：將它放入水中漂浮，如果水面下有如圖的6格，則此處記為水的密度1000kg/m3，

　　若將它投入其他液體中時，液面下的格數為n（可直接讀出），

　　那么根據漂浮的物體F浮=G可得：

　　ρ水gV排水=ρ液gV排液∴ρ水6=ρ液n，ρ水6=ρ木10

　　則對應的液體的密度為，木塊的密度為0．6ρ水。

　　三、結合“沉體”和“浮體”的特點測密度

　　例3現有一個小玻璃試管，利用量筒和足量的水如何測量玻璃的密度？

　　分析：要測玻璃的密度，必須測出小玻璃試管的質量和它具有的玻璃的體積。當小玻璃試管下沉在量筒的水中時可以測出它的體積；小玻璃試管的質量可以通過測量它的重力獲得，由于小玻璃試管漂浮在水面上時它的重力就等于浮力，所以只要用量筒測量它漂浮時排開水的體積，就可以得到它的質量。

　　這樣測量的過程如圖所示：

　　步驟為：

　　①在量筒中放入適量水，記下水面對應的刻度為V。

　　②將小玻璃試管漂浮在量筒的水面上記下水面對應的刻度為V1。

　　③將小玻璃試管下沉到量筒的水中，記下水面對應的刻度為V2。

　　那么，玻璃的密度為。

　　由例3可以更進一步思考：利用量筒、小玻璃管、足量的水、細線，如何測量細沙的密度？

　　分析：細沙的密度ρ=m/V，細沙的質量由于沒有天平，可以通過測量漂浮時的浮力來得到，細沙要漂浮必須將它放到小玻璃管中；對應的體積可讓小試管中的細沙下沉到量筒中的水中獲得。實驗過程如下圖：

　　步驟為：

　　①讓小玻璃管漂浮在量筒的水面上，記下此時水面的刻度V

　　②將細沙放到漂浮的小玻璃管中，記下此時水面的刻度V1

　　③將細沙從小玻璃管倒入量筒的水中，讓小玻璃管仍漂浮在水面上（如上圖），記下此時水面刻度V2

　　則細沙的質量為ρ水（V1－V），細沙的體積為V2－V

　　細沙的密度為。

　　測定物質的密度是初中物理一個重要實驗，基本方法為用天平和量筒這兩種儀器，而此實驗的拓寬是往往只給一種儀器，甚至一種也沒有，而代以其他實驗器材，因此尋找合適的代換是關鍵，從上面的例題可發(fā)現：利用浮力的知識進行密度的測量時，浮力和密度的基本知識是出發(fā)點，利用物體在液體中的狀態(tài)，抓住“浮體”F浮=G和“沉體”V排=V物的特點進行代換，通過一定的設計就可以達到密度的測量、儀器的改裝。此類實驗不僅注重學生基本操作技能的掌握，而且也注重提高學生實驗設計能力和對知識的綜合應用能力，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，使學生真正成為學習的主人，實現從“應試教育”向“素質教育”轉變。

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