逆向思维是一种好方法,用好了有奇效!
§ 24.(6 分) 某同学想测量家中一瓶蓝色洗手液的密度,他手边只有以下器材: 一已知密度为 的小铁块,一台没有砝码的天平,两个完全相同的直壁玻璃杯 、 ,刻度尺,细线和足量的未知透明液体。请利用上述器材,帮助他测量蓝色洗手液的密度,要求:
(1)写出主要的实验步骤及所需测量的物理量;
(2)写出蓝色洗手液密度的数学表达式(用已知量和测量量表示)。
答案:方法一
(1)实验步骤
① 调节天平平衡,将 、 两杯后分别放在天平左右两盘;
② 轻轻放入小铁块在 杯中,向 杯加入洗手液至天平平衡,用刻度尺测量液面的高度 ;
③ 拿出小铁块,往空杯 中加入适量未知透明液体,用刻度尺测量液面的高度 ;
④ 用细线系住小铁块,将其完全浸没在 杯的液体中,用刻度尺测量出液面的高度 。
(2)洗手液密度的表达式 。
方法二
(1)实验步骤
① 调节天平平衡,两空杯分别放在天平左右盘;
② 将已知小铁块小心放在左盘空杯 中,向右盘空杯 中加透明液体至天平平衡,用刻度尺测量液面的高度 ;
③ 将 中的小铁块拿出,倒入适量洗手液 (要保证能浸没金属块)。然后向右盘 中添加透明液体至天平再次平衡,用刻度尺测量液面的高度 ;
④ 用细线悬挂小铁块,将其完全浸没在左盘 的洗手液中 (不得与杯底和杯壁接触),继续向右盘 中添加透明液体至天平平衡后,用刻度尺测量液面的高度 。
(2)洗手液密度的表达式 。
解析: 乍一看,本题有点没头绪。平时都是给液体的密度,然后借助液体的密度测量固体的密度。这次反过来了,需要借助固体的密度测量液体的密度。
但是实验的原理是一样的。我们用一下逆向思维,然后再反过来写就可以了。
首先我们要用液体的质量表示铁块的质量;
然后用液体测量铁块的体积。
防止铁块沾液体后影响质量的测量。
这里多给了一种液体反而造成了一些混乱。这种液体不知道密度,我们只能用它来测量体积。感觉上没有它也没有问题。
反过来写这就是方法一,实验步骤见答案。
设杯子的横截面积为 ,
铁块的质量 ,
铁块的体积 ,
铁块的密度 ,
关系建立了,解方程要解洗手液的密度!!!
洗手液的密度 。
方法二,就是上了一点难度,不直接用液体测量铁块的体积,而是利用浮力的方法测体积。
用第二种液体来做砝码,
还要通过 ,
把天平测量的质量转化成力,实验步骤见答案。
设第二种透明液体的密度为 ,
杯子的横截面积为 ,
铁块的质量 。
设铁块的体积为 ,
铁块浸没在洗手液中受到的浮力
。
设杯中洗手液的质量为 ,
则 。
铁块浸没在洗手液中,铁块对洗手液的压力大小等于 ,
则有 。
联立浮力部分解得
,
铁块的密度 。
同样,关系建立了,解方程要解洗手液的密度!!!
洗手液的密度 。
§ 25.(6分)某同学制作了一个“浮子”。 他用质量为 、高为 、横截面积为 的质地均匀实心圆柱体,将其中间挖掉横截面积为 、高为 的圆柱体,做成 “空心管”; 然后用另一个不同材质、质地均匀的实心圆柱体将管的空心部分恰好填满,做成“浮子”,如图 18 所示.。现将 “浮子” 放入盛有足量水、底面积为 的圆柱形薄壁容器中,“浮子” 刚好悬浮在水中,如图 19 所示。已知水的密度为 ,请解答下列问题:
(1)该“浮子”的平均密度是多少?
(2)实验中,组成“浮子”的“空心管”和“填充柱体”在水中完全脱离,致使容器中水面高度发生了变化,待水面恢复稳定后,水对容器底部的压强变化了多少?

答案: (1)
(2) 或
解析: (1)因为浮子在水中悬浮,说明其密度等于水的密度 。
物体悬浮时浮力与重力相等,且物体的体积就是排开水的体积。
即 ,解得 。
(2)“空心管”和“填充柱体”两者中密度大的会沉底,密度小的会上浮,但是题目中没有说“空心管”和“填充柱体”谁的密度大,因此有两种可能。
如果“空心管”上浮
“空心管”上浮前,其浸没在水中,
排开水的体积 ,
“空心管”上浮后,漂浮时,设其排水体积为 ,则其所受浮力
,
且此时浮力等于重力,
即 。
“空心管”上浮排开水的体积减小量等于水面下降的体积。
设水面下降高度为 ,
则有
水对容器底部的压强变化量
,
解得 。
如果“填充柱体”上浮
虽然原理是一样的,但是不知道“填充柱体”的质量。(这就麻烦一点)
我们需要先求解他的质量,然后直接带入上面的结果就可以了。
设“填充柱体”的质量为 ,
由(1)可知整个“浮子”的平均密度为 ,
则有 ,
解得 。
同“空心管”上浮则有
水对容器底部的压强变化量
。