②將瓶蓋開口向上漂浮於量筒內水麵上,讀出此時水麵所達到的刻度(V2)。
③將瓶蓋側向放入量筒的水中,待沉沒後讀出此時水麵所達到的刻度(V3)。如圖1所示。
(2)表達式ρ液=V2-V1V3-V1ρ水。
[分析與討論]與前兩個問題相比,問題3有兩個特點:第一,題設條件所給定的器材中,有量筒缺天平,增加了水,因此需要用量筒和水的組合方法來代替用天平測質量,即“量筒量質量法”。第二,在解問題3的過程中,進行分析、設計和計算需應用阿基米德原理、物體的浮沉條件等,從而提高了學生綜合運用物理知識、實驗技能和數學方法解決實際問題的能力。
上述內容是測定物質密度常見的問題和常用的方法,隨著實際問題所提供的實驗器材的不同,測定物質密度時所運用的物理知識和數學方法也會隨之靈活多變。
兩力平衡實驗中“硬紙板”選用問題
華東地區初中物理教材第一冊第10章兩力平衡實驗中,硬紙板為何要輕質呢?原來課文中雖然用它來研究兩力平衡的條件,但這個實驗本身卻是一個力矩平衡的問題。
江蘇蘇州市第八中學彭靜玉老師分析了實驗中的理想情況,如圖1所示,硬紙板在大小相等的兩力F1、F2的作用下靜止,若扭轉紙板到圖中虛線位置後放手,則紙板將繞O點轉動到原來位置靜止,從而得出兩力平衡的條件是兩力大小相等、方向相反、在同一直線上。
硬紙板之所以轉到這個位置靜止下來,是因為這時力F1的力矩M1=F1L1,力F2的力矩M2=F2L2,它們有關係式M1=M2。即對硬紙板來說使之向順時針方向轉動的力矩等於使之向逆時針方向轉動的力矩。所以硬紙板將處於平衡狀態。但實驗中常常做不到這一理想情況。
請看實驗中的實際情況,如圖2所示,當紙板靜止時,F1、F2常常會不在一條直線上,為什麼會出現這種情況呢?原來,硬紙板除了受F1、F2的作用力而產生轉動的力矩M1、M2外,還受重力作用而產生力矩M3,圖中所示順時針方向轉動的力矩為M1=F1l1,逆時針方向轉動的力矩之和為M2+M3=f2l2+Gl3,硬紙板靜止時M1=M2+M3,即F1l1=F2l2+Gl3,由於Gl3≠0,所以當F1=F2時,l1>l2。於是出現F1、F2。不在一直線上的情況。
那麼怎樣才能讓實驗成功呢?若M3能接近或等於零,那麼實驗就能接近或達到理想情況。
因為M3=GL3,所以減小M3有兩條路徑。一是減小G,二是減小L3,減小G就是開頭所說的硬紙板要輕質。減小L3就是說硬紙板的重心與O點的水平距離要減小。因為均勻規則物體的重心就在幾何中心上,所以硬紙板的形狀若做成正方形或接近正方形,那麼L3將等於或接近於零,請看圖3,這時M3=0,就是實驗中的理想情況,當然,如果取F1、F2足夠大,使它們產生的轉矩遠大於重力產生的力矩,同樣也能使實驗達到理想情況。
事實證明,這個實驗要成功,必須了解實驗的原理,硬紙板是要選用輕質,同時不能剪成窄長條的形狀,最好取硬紙板為正方形,否則將出現圖2所示的情況。
車輛翻車
關於車輛翻車問題,有這樣一段敘述:以汽車的平動為例,當汽車停止或作勻速直線運動時,地麵對汽車前後兩對車輪的豎直反作用力,可以假定是相等的,但當加速或刹車時,兩者就不相等,如加速時加速度太大,或刹車時減速度太大,兩對車輪上受到的約束反作用力就相差很大,甚至能使汽車翻倒。”下麵雲南師範大學附屬中學俞雲中老師對此作了定量討論:
當汽車在水平地麵上以加速度α運動時,設汽車質量為m(包括車上的貨物及人的質量),前後輪間距2l,質心距地麵的高度為h,前後輪受到水平地麵的支持力分別為N1、N2,後輪還受到向前的靜摩擦力f。為簡化分析,不失一般性,忽略前輪的摩擦力,設前後輪距質心C的距離均為l。如圖建立直角坐標係,由質心運動定理可得x方向:mα=f,(1)y方向:0=N1+N2-mg。(2)由於N1、N2、f均是未知的,所以還要加上相對質心的動量矩定量,在此處即相對質心的力矩平衡方程,Mc=0,即-lN2+hf+lN1=0。(3)聯立(1)、(2)、(3)三式可解出N1=12m(g-hαl),(4)N2=12m(g-hαl)。(5)以上(1)、(4)、(5)式是在汽車作加速運動(起動過程)(α>0)的情況下得出的,當汽車製動作減速運動(α<0)時,可隻考慮起主要作用的前輪受到的向後的靜摩擦力f′。刹車所獲得的加速度大小α′,類似起動過程,也可以得出類似關係。隻是(1)式應為f′=-mα′。(6)由(4)、(5)兩式可知:m、h、l對給定的車為定值,g為常量。車前後輪受到地麵的作用力N1、N2隻與汽車的加速度有關,當加速度很大時,N1、N2相差很大。以下討論幾種情況。