固體密度的測(cè)定

1、固體密度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解物理天平的構(gòu)造原理，掌握其調(diào)整和使用方法；.學(xué)習(xí)用不確定度傳播律評(píng)定間接測(cè)量的不確定度；.學(xué)習(xí)流體靜力稱衡法測(cè)定不規(guī)則固體的密度。 實(shí)驗(yàn)原理密度是反映物質(zhì)特性的物理量，它只與物質(zhì)的種類(lèi)有關(guān)，與質(zhì)量、體積等因素?zé)o關(guān)，不同的物質(zhì)，密度一般是不相同的，同種物質(zhì)的密度則是相同的。密度測(cè)量不僅在物理、化學(xué)研究中是重要的，而且在石油、化工、采礦、冶金及材料工程中都有重要意義。測(cè)量物體密度的方法，可歸納為源于密度定義的直接測(cè)量法以及利用密度與某些物理量之間特定關(guān)系的間接測(cè)量法。直接測(cè)量法又分為絕對(duì)測(cè)量法和相對(duì)測(cè)量法兩大類(lèi)。絕對(duì)測(cè)量法是通過(guò)對(duì)基本量（質(zhì)量和長(zhǎng)度）的測(cè)定，來(lái)確定物體

2、的密度，利用這種方法時(shí)，必須把物質(zhì)加工成線性尺寸確定的形狀，如立方體、圓柱體、球體等。相對(duì)測(cè)量法是通過(guò)與已知密度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相比較，來(lái)確定物質(zhì)的密度。如流體靜力稱衡法、比重瓶法、浮子法和懸浮法等。間接測(cè)量法的種類(lèi)很多，浮子法、靜壓法、介電常數(shù)法、射電法、聲學(xué)法、振動(dòng)法等，主要用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的密度測(cè)量。設(shè)物體的質(zhì)量為，體積為，則其密度的定義為 （2-1）我們的實(shí)驗(yàn)是用直接測(cè)量法，測(cè)量待測(cè)固體的密度。對(duì)于形狀規(guī)則的固體，分別用天平和長(zhǎng)度測(cè)量工具測(cè)出固體的質(zhì)量和體積，從而測(cè)量出其密度；對(duì)于形狀不規(guī)則的固體，根據(jù)阿基米德原理，利用已知密度的水，只使用天平測(cè)量其密度，這被稱為流體靜力稱衡法測(cè)固體的密度

3、。不計(jì)空氣的浮力,物體在空氣中受到的重力mg與它浸沒(méi)在液體中的視重m1g之差是它在液體中所受的浮力 （2-2）根據(jù)阿基米德原理, 有 （2-3）式中是液體的密度,V是物體全部浸沒(méi)液體時(shí)排開(kāi)液體的體積亦是物體的體積。由(2-1)、（2-2）和(2-3)式可得 （2-4）如果待測(cè)物體（如蠟塊）的密度小于液體的密度,可采用如圖2-1所示的方法進(jìn)行測(cè)量。將待測(cè)物體栓上一個(gè)重物,先將物體提升在液面之上,而重物浸沒(méi)在液體中,測(cè)得此時(shí)的視質(zhì)量,再將物體提升到液面之上,而重物浸沒(méi)在液體中,測(cè)得此時(shí)的視質(zhì)量為m3,則待測(cè)物體在液體中所受到的浮力為 （2-5）于是可得物體的密度為 （2-6）圖2-1實(shí)驗(yàn)器材物理天

4、平（500g、50mg）、游標(biāo)卡尺、燒杯（500ml）、溫度計(jì)（050）、外形規(guī)則的金屬塊（被測(cè)物）、不規(guī)則金屬塊（被測(cè)物）、外形不規(guī)則蠟塊（被測(cè)物）、蒸餾水、細(xì)線實(shí)驗(yàn)步驟一. 閱讀本實(shí)驗(yàn)的儀器介紹，學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)和使用物理天平牢記正確使用物理天平的12個(gè)字：調(diào)水平；調(diào)零點(diǎn)；左稱物；常止動(dòng)。二測(cè)量規(guī)則金屬塊的密度1. 用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬塊的長(zhǎng)度（）6次，要求在不同位置測(cè)量；2. 用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬塊的寬度（）6次，要求在不同位置測(cè)量；3. 用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬塊的高度（）6次，要求在不同位置測(cè)量；4. 用天平測(cè)量金屬塊的質(zhì)量；5. 計(jì)算密度和不確定度。三靜力稱衡法測(cè)定金屬塊的密度1. 將細(xì)繩拴好金屬塊

5、放在天平左盤(pán)上，稱出此時(shí)質(zhì)量。2. 把盛有大半杯水的燒杯放在天平左邊的托架上，將拴好金屬塊的細(xì)繩掛在天平左盤(pán)的吊鉤上，調(diào)整燒杯位置，使金屬塊浸沒(méi)在水中，稱出此時(shí)質(zhì)量（不要讓所稱物體接觸燒杯）。3.記錄室溫，由附表查出室溫下純水的密度。按（2-4）式算出測(cè)定金屬塊的密度，并根據(jù)所給公式計(jì)算相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，最后寫(xiě)出結(jié)果表達(dá)式。四靜力稱衡法測(cè)定不規(guī)則蠟塊的密度1.測(cè)出蠟塊的質(zhì)量m。2.把盛有大半杯水的燒杯放在天平左邊的托架上，將細(xì)繩下拴重物，中間拴住蠟塊（兩者相距適當(dāng)距離），并把細(xì)繩掛在天平左盤(pán)的吊鉤上，調(diào)整燒杯位置，使蠟塊在水面之上，而重物浸沒(méi)在水中，稱出此時(shí)質(zhì)量（不要讓所

6、稱物體接觸燒杯）。3.再次調(diào)整燒杯位置，使蠟塊和重物一起全部浸沒(méi)在水中，稱出此時(shí)質(zhì)量。4.計(jì)算密度和不確定度，按（2-6）式算出不規(guī)則物體的密度，并根據(jù)所給公式計(jì)算相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，最后寫(xiě)出結(jié)果表達(dá)式。（要求三個(gè)測(cè)量密度選做兩個(gè)）數(shù)據(jù)表格 表2-1 測(cè)定金屬塊的長(zhǎng)度 游標(biāo)卡尺分度值 mm，單位：測(cè)量次數(shù)123456平均高度平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差= mm，A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度= mm，游標(biāo)卡尺的示值誤差，B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度= mm，總標(biāo)準(zhǔn)不確定度= mm。表2-2 測(cè)定金屬塊的寬度 單位：測(cè)量次數(shù)123456平均高度平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差= mm，A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度= mm，游標(biāo)卡尺的示值誤差

7、，B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度= mm，總標(biāo)準(zhǔn)不確定度= mm。表2-3 測(cè)定金屬塊的高度 單位：測(cè)量次數(shù)123456平均高度平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 = mm，A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = mm，游標(biāo)卡尺的示值誤差 ，B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = mm，總標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = mm。 金屬塊的質(zhì)量 g， 其標(biāo)準(zhǔn)不確定度= g，（對(duì)TW-05物理天平，TW-1物理天平）金屬塊密度 = ，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度= ，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = ，金屬塊的密度記錄為 。表2-4 靜力稱衡法測(cè)金屬塊的密度單位：項(xiàng)目金屬塊在空氣中金屬塊在水中示值室溫 ，水的密度 ，質(zhì)量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = g，金屬塊的密度 = ，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = ，合成

8、標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = ， 金屬塊的密度記錄為 。表2-5 測(cè)不規(guī)則蠟塊的密度 單位：項(xiàng)目蠟塊在空氣中蠟塊在空氣中重物在水中蠟塊和重物都在水中示值室溫 ，水的密度 。不規(guī)則蠟塊的密度= ，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 = ，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度= ， 蠟塊的密度記錄為 。注意事項(xiàng).物理天平在使用中應(yīng)注意：（）啟動(dòng)、止動(dòng)天平時(shí)動(dòng)作要輕。（）要“常止動(dòng)”即取放物體、加減砝碼、撥動(dòng)游碼、調(diào)節(jié)平衡螺母前及使用完畢后，必須轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)旋鈕，止動(dòng)天平，使橫梁靜放在制動(dòng)架上，這樣可避免刀口受沖擊而損壞，還可防止刀口離開(kāi)刀口墊使橫梁掉下，只有在判斷天平是否平衡時(shí)才啟動(dòng)天平。（）加減砝碼必須使用鑷子，嚴(yán)禁用手，從秤盤(pán)中取下砝碼后，應(yīng)

9、立即放入砝碼盒，以免丟失或弄臟。（）每臺(tái)天平的左右秤盤(pán)、秤盤(pán)掛鉤等部件，不能左右調(diào)換，更不能與其他天平上的部件互換。.用流體靜力稱衡法測(cè)物體塊密度時(shí)應(yīng)注意：（）在空氣中稱量物體塊質(zhì)量時(shí)，要使物體塊保持潔凈、干燥。（）用細(xì)繩拴住物體塊時(shí)，最好為活套，這樣可方便調(diào)整物體塊與重物的間距，以利于后面的稱衡。思考題.用物理天平稱量物體前，必須對(duì)天平做哪些調(diào)整？.標(biāo)準(zhǔn)天平是一種等臂杠桿，如果天平兩臂長(zhǎng)度不嚴(yán)格相等，怎樣稱量物體質(zhì)量？.本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量固體密度的幾種方法，各有什么優(yōu)點(diǎn)？?jī)x器介紹圖2-2 物理天平是常用的測(cè)量物體質(zhì)量的儀器，其構(gòu)造如圖2-2所示。天平的橫梁上裝有三個(gè)刀口，中間刀口置于支柱頂端的刀墊

10、上，兩側(cè)刀口各懸掛一個(gè)秤盤(pán)。橫梁下面固定一個(gè)指針，當(dāng)橫梁擺動(dòng)時(shí)，指針尖端在支柱下方讀數(shù)標(biāo)牌前擺動(dòng)。制動(dòng)旋鈕（又稱開(kāi)關(guān)旋鈕）可以使橫梁上升或下降，橫梁下降時(shí)，制動(dòng)架就會(huì)把它托住，以避免磨損刀口。橫梁兩端的兩個(gè)平衡調(diào)節(jié)螺母，是天平空載時(shí)調(diào)平衡用的。橫梁上裝有游碼，用于1g以下的稱衡。支柱左邊的托架可以托住不被稱衡的物體。123圖 2-31物理天平的主要技術(shù)參數(shù)有兩個(gè)：（1）稱量（最大負(fù)載）： 是指允許稱衡的最大質(zhì)量。（2）感量或靈敏度： 感量是指天平平衡時(shí)，為使指針從平衡位置偏轉(zhuǎn)標(biāo)牌上的一個(gè)分度，而在天平稱盤(pán)中需加的最小質(zhì)量，感量的倒數(shù)稱為天平的靈敏度。2物理天平的操作步驟是：（1）調(diào)節(jié)水平 調(diào)節(jié)調(diào)水平螺釘（左右各有一個(gè)），使水準(zhǔn)儀中的氣泡處于水準(zhǔn)儀的中央，具體調(diào)節(jié)方法是：旋轉(zhuǎn)調(diào)水平螺釘?shù)娜魏我粋€(gè)，先使水準(zhǔn)儀的氣泡對(duì)x軸的坐標(biāo)為零（如圖2-3中，氣泡從位置1位置2），然后同時(shí)同步調(diào)節(jié)兩個(gè)調(diào)水平螺釘，使氣泡對(duì)y軸的坐標(biāo)也為零（如圖2-3中，氣泡從位置2位置3）。（2）調(diào)零點(diǎn) 先把游碼撥到橫梁標(biāo)尺的左端，與零刻線對(duì)齊輕輕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)制動(dòng)旋鈕，使橫梁離開(kāi)制動(dòng)架而升起（即啟動(dòng)天平）。指針若在讀數(shù)標(biāo)牌的中線上，或指針在中線左右擺動(dòng)時(shí)擺幅近似相等且在減小，即天平平衡。若指針不在中線，應(yīng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)制動(dòng)旋鈕，使橫梁落在制動(dòng)架上（即止動(dòng)天平）