以水为媒介用厨房电子秤测量物质的密度

安徽省太和县宫集镇中心学校(236652) 王伟民

密度是物质本身的一种属性，每种物质都有各自的密度，物质不同密度一般不同。密度是鉴别物质的一个重要依据，人们往往是根据物质的密度、颜色、气味、硬度等多种物理指标进行综合判断(当然，也可以结合物质的化学性质进行物质种类的判断)。所以，密度的测量就显得尤为重要。

1 用传统方法测量物质密度误差较大的原因剖析

实验室常见的量筒或量杯，分度值是1 mL或2 mL的居多，由于不同液体与玻璃浸润的情况不同，所以量筒或量杯中液体实际的液面并非平面，而是一个向上凸起(液体与玻璃不浸润的情形，比如水银)或向下凹的面(液体与玻璃浸润的情形，比如水)。在直接测量待测液体的体积或者借助排水法测量固体物体的体积时，从侧面看量筒或量杯中液面位置，视线与液面相平时，眼睛看到的液面并非是一很细的直线，而是有一定厚度的“暗线”，其厚度约有2 mm大小，基本与量筒或量杯相邻刻度线间的距离相当。所以，测量出的物体的体积，一般会有1～2 mL大小不等的误差，在选择的物体不是很大的情况下(受量筒量程及横截面积的限制，所测物体的体积一般不能选择很大)，比如物体的体积是20 cm3，体积的相对测量误差就可能会达到1/10，即便物体质量的测量相对比较精确(用天平测量质量，误差一般不大)，最终计算出的物质的密度也可能会存在非常大的误差。

2 以水为媒介用厨房电子秤测量物质密度的方法

厨房电子秤是一种相对比较精确的测量物体质量的电子仪器，不仅价格便宜，而且测量精确(一般可以精确到0.1 g或者0.01 g)，使用起来也非常方便(只需打开开关，将待测物体放在其台面上即可方便读数)，根本不存在读数错误的问题。所以，这一价廉物美的测量工具已经走进了千家万户，甚至很多学校的实验室也用这一仪器取代天平来测量物体的质量。

2.1 固体体积的测量(仅介绍不溶于水的固体体积的测量方法)

按固体密度是否小于水的密度，分两种情况进行介绍(对于溶于水的物质，比如冰糖等物质，可以用表面涂蜡或塑料薄膜包裹的方法进行处理，这样处理之后就可以参照不溶于水的物质密度的测量方法进行测量了)。

2.1.1 固体密度大于或等于水的密度

如图1甲所示，容器内装入适量的水，放在厨房电子秤的台面上，测量容器和水的总质量m1；用细线系住物体，让物体浸没于容器中的水中并保持静止，注意物体不要触及容器的侧壁和底部，如图1乙所示，读出此时电子秤的读数m2。

图1 用厨房电子秤测量固体体积示意图

2.1.2 固体密度小于水的密度

若固体的密度比水的密度小(比如泡沫板)，则将物体放入水中之后，如果没有外力的作用，物体会漂浮于水面，无法用排水法测量物体的体积。为解决问题，可以用一个质量合适、密度较大的金属块用细线吊在固体的下面，使得在金属块拉力的作用下，密度比水密度小的固体可以浸没于水中。

2.2 液体体积的测量

液体没有固定的形状，无法用细线系住为了用跟上述测量固体体积相同的方法来测量液体的体积，可以将液体用很薄的塑料薄膜包裹起来(注意里面不能有空气)，用细线扎住密封即可。也分两种情形进行介绍。

2.2.1 液体密度大于或等于水的密度

2.2.2 液体密度小于水的密度

2.3 物质密度的测量

3 以水为媒介用厨房电子秤测量物质的密度误差相对很小的原因剖析

3.1 常温下水的热膨胀系数较小，密度比较稳定

由表1中水在不同温度下相对4 ℃时的体积膨胀系数表可以看出，即便是在40 ℃的极端气温下，其体积膨胀系数不足百分之一(常温20 ℃情况下，水的体积膨胀系数不到0.2%)，所以，对于密度结果要求不是十分精确的测量实验而言，可以认为水的密度是一个固定不变的常量。当然，如果真的需要非常精密的物质密度实验测量数据，我们可以选择精确度更高的电子秤(比如精确到0.01 g甚至更高的电子秤，这样的电子秤市面上也有)，同时考虑水在确定温度下的体积膨胀系数，在测量工具的精确度范围内，可以使得待测物质的密度达到需要的精确度。

表1 水在不同温度下相对4 ℃时的体积膨胀系数

3.2 待测密度的物体体积的测量相对比较精确

由上述分析可知，即便精确度为0.1 g的通用厨房电子秤，测量出的物体的质量误差一般不会超过0.1 g,同样，待测密度的物体(固体或液体)浸没于水中之后，它排开水的质量测量误差一般也不会超过0.1 g，所以，计算出的待测密度的物体的体积误差一般不超过0.1 cm3，跟用量筒或量杯测量物体体积，测量误差一般是1～2 cm3的结果相比，体积的测量精确度提高了一个数量级。而物质密度的测量误差主要就来自于体积的测量误差，所以，以水为媒介用厨房电子秤测量物质的密度，相比于用天平量筒测量而计算出的物质的密度，其测量结果要精确得多。

4 结语

需要说明的是，该实验有关数据间的逻辑关系是根据物体排开水的质量来计算排开水的体积，排开水的体积等于浸没于水中的待测密度的物体的体积——这些关系学生应该非常容易明白，但是，对于当吊在细线下的物体浸没于水中之后，跟物体浸入水中之前相比，电子秤增加的读数等于物体排开水的质量的论断，如果不结合物体的受力分析以及浮力的相关知识，是无法说清楚的。所以，以水为媒介，用厨房电子秤来测量物体体积，进而计算组成物体的物质密度的方法，只能在初中物理学习过浮力内容之后方能进行，否则，如果在学生刚学习密度内容之后就用该实验来测量物质的密度，学生将不清楚这种方法的测量原理。

另外，如果学校实验室没有厨房电子秤设备，我们也可以借助实验室的托盘天平做以水为媒介测量待测物质密度的实验，跟用电子秤测量的不同之处，仅仅是需要调节天平平衡，测量过程稍微复杂一些而已，具体过程不再重复，测量并计算出的密度结果，同样要比用量筒测量体积去计算物质密度的结果精确得多(但比用厨房电子秤测量的精确度低，因为一般托盘天平的精度没有厨房电子秤的精度高)。

随着科技的不断发展，很多测量工具不仅更新的速度很快，而且测量精度也在逐渐的提高，物理实验，不仅是面向实际应用的实验，也包括面向学生的分组实验或演示实验，不应墨守成规的守着传统实验不放手，而应该在保留传统实验优点的情况下，与时俱进的跟上时代的步伐，不断更新新器材，选择新的实验方案，使物理实验，特别是相关物理量的测量实验，方法更巧妙，过程更方便，结果更精确。