第十章 浮力
專題19.跨學科實踐：制作微型密度計

1．物理觀念：了解微型密度計構造原理及使用方法，加深對物體漂浮時的條件的理解與運用。通過動手實踐，學生更好地理解了浮力和密度，以及利用浮力測密度的方法。
2．科學思維：通過簡易密度計的設計和制作，讓學生應用二力平衡和浮力等知識進行技術設計，學習設計的思想和方法。運用轉換法將深度轉換為密度進行刻度標識，有利于直接讀取待測液體密度。
3．科學探究：掌握制作微型密度計的方法和步驟，理解微型密度計的使用和讀數。學生通過動手制作實踐，體驗科學探究的過程，掌握實驗設計和操作的方法。
4．科學態(tài)度與責任：對提高微型密度計的測量精度能提出合理化建議，培養(yǎng)學生嚴謹認真的科學態(tài)度和團隊合作精神，以及運用物理知識解決實際問題的責任感。

知識點1. 密度計構造與原理及使用方法（必備基礎的溫故知新）
1.密度計包含哪些必要的部件（構造）？
為了使微型密度計能在酒精中豎直漂浮，需要在標度桿下部增加配重(如繞一些銅絲)，但繞銅絲后的標度桿放在酒精中會下沉，因此還要在標度桿上固定一個浮子來增大浮力。這樣，微型密度計由標度桿、浮子和配重三部分組成，配重位于最下方，浮子位于上方，如圖所示。
2. 密度計的原理
密度計的原理是利用物體在液體中所受浮力等于重力的原理來測量液體密度?。密度計一般由玻璃制成，上方是規(guī)則圓柱形的刻度部分，下方是不規(guī)則圓柱形，下端裝有鉛顆粒，能使密度計豎直漂浮在待測液體中。?
選擇一根吸管并將其下端封閉，再加適當配重，使其能豎直漂浮在液體中，如圖所示，設吸管的橫截面積為S，測出吸管浸入水中的深度H，根據漂浮條件有：F?。紾 ,由阿基米德原理有：F浮水＝G排水= ρ水V排水g=ρ水SHg=G
同理，吸管在其他液體中也有：F浮液＝G排液= ρ液V排液g=ρ液Shg=G
綜合以上兩式得：h=ρ水H/ρ液
根據這個式子的數量關系可對簡易密度計進行標度。
通過刻度標識公式可以看出，待測液體密度越大，密度計深度越小，成反比例函數關系。
【重要結論】密度計刻度設計為“上小下大”、“上疏下密”的原因所在。
3. ?密度計的使用方法
?準備密度計?：確保密度計干凈且完好無損，沒有裂痕或損壞的刻度。
?放入待測液體?：將密度計豎直且緩慢地放入待測液體中，確保密度計完全浸沒且穩(wěn)定不傾斜。
?讀取刻度?：當密度計在液體中穩(wěn)定后，觀察液面所對應的刻度值。這個刻度值即為該液體的密度。?
密度計在實驗室和工業(yè)中有著廣泛的應用，它可以用于測量各種液體的密度，如石油、化工原料、食品、飲料等。通過測量液體的密度，可以了解液體的成分、濃度、純度等關鍵參數，對于質量控制、產品研發(fā)、生產過程監(jiān)控等方面都具有重要意義。
知識點2. 制作微型密度計實踐活動過程
一、明確任務
要制作一個微型密度計，需要完成以下任務：
1．設計一個能放入小瓶中，并判斷酒精是否合格的微型密度計。
2．按照設計要求，完成微型密度計的制作。
二、任務分解
1. 設計的微型密度計應滿足哪些要求呢？
密度計要能夠豎直的漂浮在酒精中，能通過刻度(或標記)直接讀出酒精的密度是否合格。做好的密度計放入小瓶后，不能觸碰到瓶底，也不能使小瓶中的酒精溢出。另外，為了能判斷酒精密度的變化，即密度計放入酒精中后有較為明顯的位置變化。因此，要設計符合要求的密度計，應該著重考慮兩個因素：一個是密度計的質量，另一個是標度桿的直徑。
2. 密度計的質量大約為多大？
對于100 mL的小瓶酒精來說，若微型密度計測量時排開1～2 mL的酒精，一般不會導致酒精的溢出。1～2 mL酒精的質量為1 g左右，因此我們設計的微型密度計的質量也應為1 g左右。
3. 密度計的標度桿的直徑如何確定？
消毒酒精的密度為0.86×103～0.88×103 kg/m3是合格的。若密度計漂浮在密度為0.86×103～0.88×103 kg/m3的酒精中，則標度桿上的標記應該是一個范圍，在范圍內的酒精都是合格的，如圖中A、B所示。若A、B間的長度過小，不便于觀察者分辨。為此，可設定A、B間的長度不少于4 mm。這樣，根據圓柱體的體積公式，就可以計算標度桿的橫截面積和直徑了。通過估算，可以知道標度桿的橫截面積約為0.07 cm2，直徑約為3 mm。
4. 密度計包含哪些必要的部件（構造）？
為了使微型密度計能在酒精中豎直漂浮，需要在標度桿下部增加配重(如繞一些銅絲)，但繞銅絲后的標度桿放在酒精中會下沉，因此還要在標度桿上固定一個浮子來增大浮力。這樣，微型密度計由標度桿、浮子和配重三部分組成，配重位于最下方，浮子位于上方，如圖所示。
三、制作微型密度計
出示材料：小泡沫塑料球、圓珠筆芯、細銅絲、紅色膠布、刻度尺等。
引導小組分工、明確個人任務。
制作過程參考：
用圓珠筆芯(直徑約為3 mm)作為標度桿，筆芯中部套一個直徑約1.2 cm的泡沫塑料球作為浮子，下端繞有細銅絲作為配重，初步做成一個密度計，如圖。
把這個密度計漂浮在水中調節(jié)配重。改變細銅絲的長度，使密度計在水中漂浮時浮子浸沒在水中，水面上方露出一截筆芯。
把調好配重的微型密度計放入標準消毒酒精中。待微型密度計靜止時，依據液面的位置在標度桿上做一個記號。最后，用4 mm寬的紅色膠布中心對著記號貼在筆芯上，微型密度計就做好了。
四、展示交流
展示各小組制作的微型密度計，分享各自的體驗和收獲。
教師展示準備的若干瓶密度不同的酒精，讓學生用自制的微型密度計測量這些酒精，判斷哪瓶酒精的密度符合消毒酒精的要求，哪瓶密度偏大，哪瓶密度偏小。
學生分析產生誤差的原因。并分享、交流體會。
密度計刻度為什么不是均勻分布的？
密度計是根據物體漂浮原理制作，
F浮＝G物
F?。溅岩篤排g=ρ液Shg
ρ液Shg=G物
h= G物/ρ液Sg
其中G物、S、g對于給定的密度計重力不變、橫截面積一定、g=9.8N/kg，所以h與待測液體密度成反比例關系。不同深度可讀出不同的密度值，不同刻度間距離不等。并且從上往下看，刻度值越來越答，刻度間上疏下密。

考查角度1. 跨學科實踐：微型密度計構造原理相關問題
【例題1】物理興趣小組把吸管的下端密閉并纏繞一段細銅絲（細銅絲體積忽略不計），自制一個簡易密度計。如圖所示，密度計分別放入a、b、c三種液體中時，均漂浮在液體中，且保持豎直姿態(tài)。密度計在三種液體中靜止時，在密度計上與液面平齊處各標記一條刻線，共得到三條刻線。已知密度計在c液體中，有的體積浸入液體，浸入體積為。三種液體密度如表格所示，下列分析正確的是（ ）
A.三條刻線的間隔距離不相等
B.密度計的質量為0.1kg
C.密度計在三種液體中所受浮力不相等
D.密度計在b液體中的浸入體積為
考查角度2. 跨學科實踐：制作微型密度計問題
【例題2】制作簡易密度計：
（1）取一根長飲料吸管，在其下端加適當的配重，并將這一端密封起來，使其能豎直漂浮在水中，如圖甲所示。設吸管的橫截面積為S，測出吸管浸入水中的深度H，則此時吸管受的浮力_________（用水的密度和g、S、H表示）；
（2）將吸管漂浮在其他液體中，則由于液體密度的不同導致浸入的深度不同，因此，根據浸入深度可測液體密度；
（3）將（1）的吸管漂浮在密度為的液體中，吸管浸入液體的深度為h，則h=_________（用、、H表示）；
（4）根據上述分析，簡易密度計上的刻度分布是_________（選填“均勻”“不均勻”）的；
（5）小華利用不同吸管成功自制了幾支密度計，其中精確度最高的密度計是_________；
A.長度最長的B.橫截面積最小的
C.質量最大的D.浸入水中的深度最深的
（6）小敏利用廢舊的圓珠筆芯也成功自制了一支密度計，并利用已知液體密度進行了刻度標注，如圖乙所示，A點，C點；B為AC的中點，則B點標注的密度_________（選填“大于”“小于”或“等于”）。
考查角度3. 跨學科實踐：與密度計有關的計算
【例題3】科技制作活動中，小明將金屬夾夾在吸管一端使其密閉，制成簡易密度計，如圖所示。為了給密度計標刻度，他將密度計分別放入水和煤油中，密度計均豎直漂浮，吸管露出液面的長度為d。密度計在水中時d為12cm，浮力大小為；在煤油中時d為10cm，浮力大小為，則_____（選填“>”“”“=”或“ρ乙，F甲

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第4節(jié) 跨學科實踐：制作微型密度計

版本： 人教版（2024）

年級： 八年級下冊（2024）

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