中学物理实验室中用于测量液体密度的密度计刻度往往是不均匀的,某个兴趣小组利用所学过的物理知识以“制作一个刻度均匀的液体密度计”为课题进行研究。
【设计原理】同学们已经知道在液体体积一定时,液体的质量与密度成正比,其原理是
【项目设计】器材:测量范围为0~5 N的弹簧测力计,一个带体积刻度的透明塑料小桶。
①将弹簧测力计竖直调零后,在其下方竖直悬挂一个空的小桶,如图所示,此时弹簧测力计的示数为
②用该小桶装100 mL的水挂在弹簧测力计下,静止时示数为1.5 N,指针处的刻度标记为1 g/cm³。
③依次标出其他刻度值,则此液体密度计的测量范围是

【密度测量】将装有100 mL蜂蜜的该桶挂在弹簧测力计下,此时弹簧测力计的示数为1.9 N,则该蜂蜜的密度为
【项目改进】若想提高该密度计的精确度,请提出一条建议:
【设计原理】同学们已经知道在液体体积一定时,液体的质量与密度成正比,其原理是
$\rho=\frac{m}{V}$
。又知液体重力与其质量成正比,该小组想通过液体重力与密度的关系来制作刻度均匀的密度计。【项目设计】器材:测量范围为0~5 N的弹簧测力计,一个带体积刻度的透明塑料小桶。
①将弹簧测力计竖直调零后,在其下方竖直悬挂一个空的小桶,如图所示,此时弹簧测力计的示数为
0.5
N,指针处的刻度标记为0 g/cm³。②用该小桶装100 mL的水挂在弹簧测力计下,静止时示数为1.5 N,指针处的刻度标记为1 g/cm³。
③依次标出其他刻度值,则此液体密度计的测量范围是
0~4.5 g/cm³
。【密度测量】将装有100 mL蜂蜜的该桶挂在弹簧测力计下,此时弹簧测力计的示数为1.9 N,则该蜂蜜的密度为
1.4
g/cm³。【项目改进】若想提高该密度计的精确度,请提出一条建议:
换用体积更大的小桶
,请说明理由:加满液体时重力增大,密度计的测量范围变小
。答案
【设计原理】$\rho=\frac{m}{V}$
【项目设计】①0.5
③0~4.5 g/cm³
【密度测量】1.4
【项目改进】换用体积更大的小桶
理由:加满液体时重力增大,密度计的测量范围变小
【项目设计】①0.5
③0~4.5 g/cm³
【密度测量】1.4
【项目改进】换用体积更大的小桶
理由:加满液体时重力增大,密度计的测量范围变小
解析
【分析】
本题围绕制作刻度均匀的液体密度计展开,需结合密度公式、重力与质量的关系、弹簧测力计的读数等知识解题。首先明确设计原理是利用体积一定时质量与密度的关系;接着通过弹簧测力计读数确定空桶重力,再结合弹簧测力计量程计算密度计的测量范围;然后根据弹簧测力计示数计算蜂蜜的密度;最后思考提高精确度的改进方法。
【解析】
1. 设计原理:根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,当液体体积$V$一定时,液体的质量$m$与密度$\rho$成正比,故原理为$\rho=\frac{m}{V}$。
2. 项目设计①:弹簧测力计分度值为$0.1\ \mathrm{N}$,指针指向$0.5\ \mathrm{N}$,因此空桶重力为$0.5\ \mathrm{N}$。
3. 项目设计③:弹簧测力计量程为$0~5\ \mathrm{N}$,最大总重力为$5\ \mathrm{N}$,则液体最大重力$G_{\mathrm{液大}}=5\ \mathrm{N}-0.5\ \mathrm{N}=4.5\ \mathrm{N}$。液体体积$V=100\ \mathrm{mL}=100\ \mathrm{cm}^3$,由$G=mg=\rho Vg$得最大密度$\rho_{\mathrm{大}}=\frac{G_{\mathrm{液大}}}{Vg}=\frac{4.5\ \mathrm{N}}{100×10^{-6}\ \mathrm{m}^3×10\ \mathrm{N/kg}}=4.5×10^3\ \mathrm{kg/m}^3=4.5\ \mathrm{g/cm}^3$,故测量范围为$0~4.5\ \mathrm{g/cm}^3$。
4. 密度测量:蜂蜜的重力$G_{\mathrm{蜜}}=1.9\ \mathrm{N}-0.5\ \mathrm{N}=1.4\ \mathrm{N}$,蜂蜜质量$m_{\mathrm{蜜}}=\frac{G_{\mathrm{蜜}}}{g}=\frac{1.4\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=0.14\ \mathrm{kg}=140\ \mathrm{g}$,体积$V=100\ \mathrm{cm}^3$,则密度$\rho_{\mathrm{蜜}}=\frac{m_{\mathrm{蜜}}}{V}=\frac{140\ \mathrm{g}}{100\ \mathrm{cm}^3}=1.4\ \mathrm{g/cm}^3$。
5. 项目改进:换用体积更大的小桶,理由:相同密度的液体,体积越大,重力越大,弹簧测力计示数变化更显著,可提高精确度(或按参考答案表述)。
【答案】
【设计原理】$\rho=\frac{m}{V}$
【项目设计】①$0.5$;③$0~4.5\ \mathrm{g/cm}^3$
【密度测量】$1.4$
【项目改进】换用体积更大的小桶;加满液体时重力增大,密度计的测量范围变小
【知识点】
密度公式;弹簧测力计;重力与质量的关系
【点评】
本题结合力学知识设计实验,考查学生对密度、重力等知识点的应用能力,以及实验分析与改进的能力,综合性较强。
【难度系数】
0.3
本题围绕制作刻度均匀的液体密度计展开,需结合密度公式、重力与质量的关系、弹簧测力计的读数等知识解题。首先明确设计原理是利用体积一定时质量与密度的关系;接着通过弹簧测力计读数确定空桶重力,再结合弹簧测力计量程计算密度计的测量范围;然后根据弹簧测力计示数计算蜂蜜的密度;最后思考提高精确度的改进方法。
【解析】
1. 设计原理:根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,当液体体积$V$一定时,液体的质量$m$与密度$\rho$成正比,故原理为$\rho=\frac{m}{V}$。
2. 项目设计①:弹簧测力计分度值为$0.1\ \mathrm{N}$,指针指向$0.5\ \mathrm{N}$,因此空桶重力为$0.5\ \mathrm{N}$。
3. 项目设计③:弹簧测力计量程为$0~5\ \mathrm{N}$,最大总重力为$5\ \mathrm{N}$,则液体最大重力$G_{\mathrm{液大}}=5\ \mathrm{N}-0.5\ \mathrm{N}=4.5\ \mathrm{N}$。液体体积$V=100\ \mathrm{mL}=100\ \mathrm{cm}^3$,由$G=mg=\rho Vg$得最大密度$\rho_{\mathrm{大}}=\frac{G_{\mathrm{液大}}}{Vg}=\frac{4.5\ \mathrm{N}}{100×10^{-6}\ \mathrm{m}^3×10\ \mathrm{N/kg}}=4.5×10^3\ \mathrm{kg/m}^3=4.5\ \mathrm{g/cm}^3$,故测量范围为$0~4.5\ \mathrm{g/cm}^3$。
4. 密度测量:蜂蜜的重力$G_{\mathrm{蜜}}=1.9\ \mathrm{N}-0.5\ \mathrm{N}=1.4\ \mathrm{N}$,蜂蜜质量$m_{\mathrm{蜜}}=\frac{G_{\mathrm{蜜}}}{g}=\frac{1.4\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=0.14\ \mathrm{kg}=140\ \mathrm{g}$,体积$V=100\ \mathrm{cm}^3$,则密度$\rho_{\mathrm{蜜}}=\frac{m_{\mathrm{蜜}}}{V}=\frac{140\ \mathrm{g}}{100\ \mathrm{cm}^3}=1.4\ \mathrm{g/cm}^3$。
5. 项目改进:换用体积更大的小桶,理由:相同密度的液体,体积越大,重力越大,弹簧测力计示数变化更显著,可提高精确度(或按参考答案表述)。
【答案】
【设计原理】$\rho=\frac{m}{V}$
【项目设计】①$0.5$;③$0~4.5\ \mathrm{g/cm}^3$
【密度测量】$1.4$
【项目改进】换用体积更大的小桶;加满液体时重力增大,密度计的测量范围变小
【知识点】
密度公式;弹簧测力计;重力与质量的关系
【点评】
本题结合力学知识设计实验,考查学生对密度、重力等知识点的应用能力,以及实验分析与改进的能力,综合性较强。
【难度系数】
0.3
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