10.4跨学科实践：制作微型密度计（课件）2024-2025学年度人教版物理八年级下册

第4节 跨学科实践：制作微型密度计 第十章浮 力 感悟新知 一、项目提出 把鸡蛋放入清水中，观察现象。往清水中不断加盐，观察鸡蛋漂浮时盐少、盐多的情况，你有什么发现？ 感悟新知 深度思考 鸡蛋漂浮时排开液体的体积与盐水的密度有关吗？ 深度理解 有关；漂浮时ρ盐水越大，鸡蛋排开液体的体积V排越小。 感悟新知 对于同一物体来说，它漂浮时V 排是由ρ 液决定的，即液体的密度不同，物体排开液体的体积也就不同。反过来，如果同一物体在不同液体中排开液体的体积不同，那么液体的密度一定不同。根据这个道理，我们可以制成测密度的装置——密度计。 感悟新知 消毒酒精的密度约为0.87×103kg/m3，用密度计测量酒精的密度，是一种初步判断其是否合格的简单方法。一般常用的密度计体积较大，很难放入小瓶酒精中进行测量，所以需要设计和制作一个微型密度计。 感悟新知 二、项目分析 1. 观察微型密度计的构造(如图2)。 特别提醒 相对于普通密度计，微型密度计要满足能放入小瓶酒精中进行测量，因此需要选用较小的元件进行设计制作。 感悟新知 2. 探讨密度计的工作原理：如图3 所示，设吸管的横截面积为S，测出吸管浸入水中的深度H；若漂浮在其他液体中, 则浸入的深度h 会因液体密度的改变而改变, 但重力仍与浮力大小相等。 感悟新知 根据漂浮条件和阿基米德原理可得： G=F浮1=ρ水SHg,G=F浮2=ρ液Shg,ρ水SHg=ρ液Shg, 所以h=H。我们自制的微型密度计也是根据此原理制作的。 密度计的原理 漂浮条件F浮=G物。 感悟新知 拓展思考 我们自制的微型密度计是根据什么数量关系式进行标度的？ 拓展理解 根据h=H 对密度计标度杆上的刻度进行标度。 感悟新知 三、项目实施 1. 设计 (1)要求：设计一个能放入小瓶中，并判断消毒酒精(密度约为0.8 7×103 kg/m3)是否合格的微型密度计。 (2)基本思路：如图4 所示，把塑料吸管的下端用蜡 封口并缠上铜丝，设法让它能竖直漂浮在液面上。 这就是一个最简单的密度计。 感悟新知 深度思考 我们在自制密度计时可能会出现下面两种现象，你是怎样解决这两个问题呢? ①自制密度计放入小瓶后，可能会触碰瓶底，还可能会使酒精溢出。 ②自制密度计漂浮在不同密度的酒精中时，作为标度杆的吸管因直径太大，可能会造成液面在吸管上的位置变化很小，使我们难以判断酒精密度的大小。 感悟新知 深度理解 ①密度计所受的浮力等于它所受的重力，浮力的大小决定了排开酒精的体积。所以应减小密度计的重力(质量)； ②吸管的直径影响了液面在吸管上位置的变化，所以应减小吸管直径。 感悟新知 总结同学们要设计符合要求的密度计，应该着重考虑两个因素：一是密度计的质量；二是标度杆的直径。 感悟新知 (3)估算密度计的质量 我们设计的微型密度计的质量约为多少g ？对于100 mL的小瓶酒精来说，若微型密度计测量时排开1～2 mL 的酒精，一般不会导致酒精的溢出。1～2 mL 酒精的质量为1 g 左右，因此微型密度计的质量也应为1 g 左右。 感悟新知 (4)估算标度杆的直径 请你估算标度杆的直径约为多少毫米？ 如图5 所示，若密度计漂浮在0.86×103 kg/m3 的酒精中，液面位于标度杆的A 位置；漂浮在0.88×103 kg/m3 的酒精中，液面位于标度杆的B位置, 则测量时液面位于A、B 之间的消毒酒精都是合格的。 感悟新知 A、B 间的长度过小，不便于观察者分辨。为此，可设定A、B 间的长度不少于4 mm。现微型密度计的质量约为1 g，根据圆柱体的体积公式得VA-VB=ΔV=S×hAB，即- =S×0 .4 cm，解得标度杆的横截面积约为0 .0 7 cm 2，直径约为3 mm 。 感悟新知 (5)设计微型密度计的结构 深度思考 如何使吸管竖直漂浮在酒精中？怎么解决？ 深度理解 往吸管里装入适量的铜丝作配重，调整重心使吸管竖直漂浮在酒精中，此时符合漂浮条件F浮=G物。 感悟新知 2. 制作 (1) 选材料：饮料吸管(标度杆)、石蜡和打火机(封口)、细铜丝或螺丝钉(配重)、泡沫塑料球(浮子)、记号笔(标识刻度)、刻度尺(测量浸入液体的深度)、水、酒精等。 感悟新知 (2) 制作步骤 ①取一根长约20 cm 的圆柱状饮料吸管，先将吸管两端剪平，取适量铜丝密绕成小团后从吸管下端塞入作为配重，并用石蜡将吸管的下端口堵住密封，在吸管中部套一个泡沫塑料球作为浮子，初步做成一个微型密度计。 感悟新知 ②把这个密度计漂浮在水中调节配重。改变铜丝的长度， 使密度计在水中漂浮时浮子浸没在水中，水面上方露出一段标度杆。 ③把调好配重的微型密度计放入标准消毒酒精中。待微 型密度计静止时，依据液面的位置在标度杆上做一个记 号。最后，用4 mm 宽的彩色胶布中心对着记号贴在标度杆上，微型密度计就做好了。 感悟新知 [中考·眉山] 物理兴趣小组的同学制作了一个简易密度计，分别放入盛有不同液体的两个烧杯中，静止时液面相平如图6 所示，密度计在液体中受到的浮力F甲______F乙，液体对杯底的压强p甲______p乙。(均填“＜”“=”或“＞”) 例 1 = ＜ 21 感悟新知 解题秘方：根据物体漂浮的条件，浮力等于重力，比较浮力大小；由图可知，密度计排开液体体积之间的关系，根据阿基米德原理判断液体的密度关系；再根据液体压强公式判断两个烧杯底部受液体压强的关系。 22 感悟新知 解析：由图可知，密度计在两种液体中均处于漂浮状态，根据密度计原理可知，F 浮=G密，密度计不变，则重力不变，所以密度计在两种液体中所受的浮力相等，即F甲=F乙；由图知，图甲中密度计排开液体的体积大于图乙中排开液体的体积，根据F浮=ρgV 排可知，图甲液体的密度小于图乙液体的密度，即ρ甲＜ρ乙；液面高度相同，根据p=ρgh 可知，两个烧杯底部所受液体的压强p甲＜p乙。 23 感悟新知 1. 小荣制作了一个简易密度计，取一根粗细均匀的饮料吸管，在其下端塞入适量金属丝并用石蜡封口(如图所示)。他将密度计放入水中，竖立静止后，在密度 计上与水面相平处标上1.0g/cm3；将密度计 分别放入密度为ρA、ρB 的两种液体中，竖立 静止后，在密度计与液面相平处标上A、B。 24 感悟新知 下列说法中正确的是( ) A. ρA>1.0 g/cm3 B. ρB<ρA C. 密度计在液体A、B及水中受到的浮力大小相等 D. 密度计在液体A 中受到的浮力大于在液体B 中受到的浮力 C 25 感悟新知 四、展示交流 在制作的过程中遇到的问题： (1)吸管的选择 有同学说：起先选用的是塑料吸管，但发现塑料表面不易用笔书写，且墨水遇水立即溶解。于是进行了改进：在纸质吸管上用铅笔标注，非常方便，即使在酒精中使用也不会有问题的。 感悟新知 (2)配重的确定 有同学说：原先加入的细铜丝太少，造成刻度线之间的距离较小。于是进行了改进：先测出吸管的总长，预留一定空间后再通过计算，反推吸管在水中深度H 的合理数据，再确定配重质量。 感悟新知 (3)测量准确程度 有同学说：为了较准确地测量，应该使刻度线间的距离大，即要使Δh大。因为m=ρSh，所以h=，故Δh=h2-h1=-=(- )。因此要使Δh 大，采取的措施为一是使S 小，应该用细的吸管；二是使m大，应该使配重大。 感悟新知 深度思考如图7 甲自制密度计倾斜，不能竖直漂浮。如图乙自制密度计沉到容器底部，不漂浮。接下来应该如何操作？ 感悟新知 深度理解 图甲中首先检查吸管底部是否密封，然后在吸管的下端再放入一些铜丝。图乙中减小吸管的重力G，直到F浮=G 。 感悟新知 [中考·苏州] 综合实践活动课上，小明用一根长约 20 cm 的圆柱状饮料吸管、一段细铁丝、石蜡和水等制作了一个简易密度计。制作时，小明先将吸管两端剪平，铁丝密绕成小团后塞入吸管一端，再用石蜡将该端口堵住密封； 例2 感悟新知 接着，将吸管置于水中使其处于竖直漂浮状态(图8 甲)，用笔在吸管上标记此时水面位置O；取出吸管，量出O点至封口端的距离H，通过分析与计算，在吸管上分别确定密度值0.8 g/cm3、0.9 g/cm3、1.0 g/cm3、 1.1 g/cm3 的位置并标上密度值。使用时， 将密度计静置于待测液体中，读出吸管 壁上液面处的数值即为液体密度。 感悟新知 (1)O位置处的刻度值为______g/cm3 。 1.0 解析：如图甲所示，将吸管置于水中使其处于竖直漂 浮状态，O位置处的刻度值为水的密度值1.0 g/cm3。 感悟新知 (2)吸管漂浮在其他液体中时(图乙)，液面下方的深度h=________( 用ρ水、ρ液、H表示)。 (3)管壁上标注的4 个刻度值，相邻两刻度值之间的距离_______(填“相等”或“不相等”)。 H 不相等 感悟新知 (4)小明突发奇想，将制作好的密度计内铁丝从吸管上端倒出，缠绕到底部外侧，其他没有变化(图丙)，他用这样“改装”后的密度计测同一液体密度，测量结果______(填“偏大”“偏小”或“无变化”)。 偏大 感悟新知 解析：将制作好的密度计内铁丝从吸管上端倒出，缠绕到底部外侧，其他没有变化，再用这个密度计测量同一液体的密度，此时排开液体的体积不变，因为吸管排开液体的体积等于排开液体的总体积减去铁丝的体积，所以，吸管排开液体的体积减小，会上浮一些(即浸入液体中的深度减小)，测得的密度值偏大，即测出的液体密度值大于实际值。 感悟新知 (5)若增加塞入吸管中铁丝的质量，则制作的密度计精确程度将______。 提高 解析：若增加塞入吸管中铁丝的质量，密度计放入某液体中时，密度计竖直浸入液体的深度变大，O 位置会上升，密度计上两条刻度线之间的距离也会变大，测量结果更准确。 感悟新知 2. 在一次综合实践活动中，小丽同学利用一根吸管制作一个简易密度计。 (1)制作密度计时，为了让吸管能竖直地漂浮在液体中，应在吸管的______(填“上”或“下”)端塞入一些铜丝作为配重，并用石蜡将吸管的下端封闭起来。 下 38 感悟新知 (2)当密度计竖直漂浮在不同液体中时，受到的浮力大小______ (填“变大”“变小”或“不变”)，液体的密度越大，它露出液面部分的长度越______ (填“长”或“短”)。 (3)为使简易密度计上相邻两条刻度线之间的距离大一些，可适当换______ (填“粗”或“细”)一点的管子，这样测量结果更准确。 不变 长 细 39 $$