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第4节 密度与社会生活
整体设计
新《义务教育初中物理课程标准》对本节的要求是：“解释生活中一些与密度有关的物理现象。了解人类关于物质属性的研究对日常生活和科技进步的影响。”
本节内容是在学习了密度概念及其测量的基础上，进一步学习如何利用密度知识解决实际问题。本节内容是对密度知识的拓展，一方面通过本节教学可以使学生体会到密度知识在社会生活中的重要价值，另一方面还可以提高学生应用所学知识解决实际问题的能力。对于密度知识在社会生活中的应用，教师可以引导学生联系生活中的实例及学生已经具备的密度的有关知识来帮助学生理解。在此基础上进一步研究密度与温度、与物质鉴别的关系，教师可以通过演示实验和点拨引导，使学生通过观察、分析、总结、归纳出结论，千万不要想当然地直接告诉学生结论，对本节例题的教学也应这样，教给学生方法比教给学生知识更重要，学生能通过自己的努力学到新知效果会更好。
三维目标
知识与技能
1．理解密度与温度的关系，并能解释简单的与社会生活相关的密度问题；
2．利用密度知识鉴别物质；
3．能用密度知识解决简单的实际问题。
过程与方法
1．通过实验探究活动，总结出：一定质量的气体，温度高，密度变小；温度低，密度变大；
2．学会利用密度这一重要属性鉴别物质。
情感、态度与价值观
培养学生严谨的科学态度，充分把密度知识与社会生活紧密相连。
教学重点
1．密度与温度的关系；
2．密度与物质鉴别。
教学难点
水的反常膨胀，4 ℃水的密度最大。
教学方法 探究法、讨论法、实验法、观察法。
课时安排
1课时
教学准备
酒精灯，火柴，纸风车，冷水，文本、图片或音视频资料；自制PPT课件。
教学过程
导入新课
实验导入：鸡蛋我主沉浮
材料：生鸡蛋一个，大玻璃杯两个，食盐若干，小勺一个，玻璃棒或筷子一根
步骤：1.将一个生鸡蛋放入盛有清水的玻璃杯中，可以看到鸡蛋沉入水中。
2．然后逐渐向杯中放入食盐，并不断搅拌，可以看到鸡蛋悬浮于水中任意位置。
3．继续向杯中放入食盐，直到鸡蛋漂浮于水中。由此我们可以看到鸡蛋在盐水中的三种状态。(此次试验也可反过来做)
同学们能解释其中的道理吗？导入课题。也可播放视频展示实验过程。
设计意图：通过实验设疑，激发学生学习本节内容的兴趣。
故事导入
聪明的阿基米德怎样鉴别皇冠的真伪
2 000多年前，当希腊希洛王取得王位后，决定在一座教堂里向永垂不朽的神献上金制的皇冠。于是，他称给工匠所需要的金子并付给酬金。工匠按规定的期限做好了金冠。事后，有人告密，说工匠盗窃了做皇冠的一部分金子，而掺进去同等数量的铜。希洛王为有人欺骗他而大为恼火，可是又找不到揭破这个盗窃案的方法。后来，希洛王在召见阿基米德时，交给了他一项重大任务：鉴别工匠制造的皇冠是否为纯金制成。阿基米德接受任务后忧心忡忡，冥思苦想，不得其解。
有一天，阿基米德在身体泡入盛满水的澡盆中洗澡时，发现水从澡盆中溢了出来，而自己的身体却在水中轻了许多。他突然受到启发：盆里溢出来的水的体积，不就是自己的身体浸入水里的那一部分体积吗？用这个方法不就可以鉴别皇冠的真伪了吗？阿基米德由此揭开了金冠之谜，断定皇冠是掺了假的。因为金子密度大，在相同的情况下体积比较小，掺进了别的金属后，体积增大，排出的水就多了。阿基米德运用这种潜意识的思维方法，在他的科学创造中起了重要的作用。密度知识的应用解决了阿基米德的烦恼。
今天我们就来研究密度在社会生活中的应用。
情景导入
密度是物质的基本属性，每种物质都有自己的密度。密度在我们的社会生活中有重要的价值。例如，利用密度知识可以鉴别戒指是不是纯金做的。勘探队员在野外勘探时，通过对样品密度等信息的采集，可以确定矿藏的种类及其经济价值。在农业生产中利用盐水可以选种等，我们知道这些都是利用了不同物质的密度一般不同这一特点。下面我们来欣赏几组画面(多媒体播放
)
从录像中我们看到用密度的知识解决了选种的问题。你还知道我们生活中运用密度可以做什么吗？
推进新课
一、密度与温度
提出问题 从刚才同学们了解的现象可知：密度的知识与人们社会生活的关系十分密切，那么是不是所有物体的密度都是一成不变的呢？密度与温度有没有关系呢？
播放视频：龙卷风
视频截图——龙卷风
平时生活中的风、龙卷风的形成与我们所学的密度知识是否有关呢？
演示实验
演示实验1：在室温下，吹鼓两个气球。分别把它们放在一大堆冰块和酒精灯火焰附近。
观察并思考：过一会儿，你发现了什么现象？为什么？
点评：放在冰块上面的气球变小了，气球下降；放在酒精灯火焰附近的气球变大了，
气球上升。
m说明：气体受热体积膨胀。由于密度ρ＝知，一定质量的气体体积膨胀后，密度变V
小。
演示实验2：按课本图做一个纸风车。如果把风车放在点燃的酒精灯附近，风车能转动起来。
观察并思考：你知道是什么推动了风车吗？学生分析。
结论：由于ρ=m知，一定质量的气体体积膨胀后，密度变小。 V
思考讨论：1.生活中的风是如何形成的？
2．日常生活中气体、液体、固体的密度受温度影响一样吗？
讨论总结：1.生活中的风就是空气在受热时体积膨胀，密度变小而上升。热空气上升后温度低的冷空气就从四面八方流过来，形成风。
2．气体受温度的影响较大，固体、液体影响较小。
提出问题 在我国的北方，冬天对自来水管的保护十分重要。如果保护不好，使水管内的水结了冰，不仅影响正常的生活用水，有时还会把水管冻裂，造成送水设备的损坏。那么，自来水管为什么会被冻裂？
讨论交流 生活中的物质大多数遵循“热胀冷缩”的规律，但水这种物质在一定温度时是喜欢“热缩冷胀”的。引导学生通过计算说明为什么水结冰时体积反而变大。
1 kg水的体积：V＝m/ρ＝1 kg/1.0×103 kg/m3＝1.0×103 m3 －
1 kg冰的体积：V冰＝m/ρ冰＝1 kg/0.9×103 kg/m3＝1.1×103 m3 －
启发学生从自来水管遵从“热胀冷缩”的规律，而水结冰后遵从“热缩冷胀”，从这两个方面入手分析解答。
学生自学 课本120页下面到121页上面
交流归纳 水的反常膨胀现象；4 ℃的水密度最大。温度高于4 ℃时，随着温度的升高，密度越来越小；温度低于4 ℃时，随着温度的降低，密度越来越小。水凝固成冰时，体积变大，密度变小。人们把水的这个特性叫做水的反常膨胀。
提出问题 水的反常膨胀对冬季水中的生物有什么意义呢？
交流归纳 学生读下图思考讨论并回答
如图为冬天河水温度分布图。由于水的反常膨胀，在严寒冬天，河面封冻了，较深河底的水却保持4 ℃的水温，鱼儿仍然可以自由自在地游呢！
跟踪例题
某同学利用一定质量的水，研究水的体积和温度的关系，并根据实验数据作出Vt图象。请根据图象回答以下问题：
(1)图象中AB段反映的物理现象是________，BC段反映的物理现象是________；
(2)以上现象揭示了水的反常膨胀规律，由此可进一步得出的推论是：水在4 ℃时________；
(3)在寒冷的北方冬天，湖面上结了厚厚的一层冰，而鱼却能在湖底自由的生活。请你估计一下湖底的水温为________℃。
解析：图象中，横轴为温度轴，纵轴为体积轴。由图象可知，在AB段水的体积随温度的升高而减小；在BC段水的体积随温度的升高而变大。
答案：(1)温度升高，体积缩小 温度升高，体积变大
(2)密度最大 (3)4
二、密度与物质鉴别
提出问题 如何鉴别一只戒指是不是纯金做成的？
教师引导 从密度表可以看出，各种物质的密度是一定的，不同物质的密度是不同的。只要测出了戒指的密度，再与密度表中金的密度进行比较就可鉴别戒指是不是纯金做成的。
(课件展示例题)
1小华很想鉴别妈妈去云南旅游时带回来的当地少数民族的首饰是不是纯银做成的，于是，他向老师借了天平和量筒等器材，用天平测出一手饰的质量为90 g，用量筒测出其体积为10 mL(ρ银＝10.5 g/cm3,1 cm3＝1 mL)
则：(1)通过计算说明该首饰是不是纯银做成的？
(2)若是纯银做成的一个同样大的首饰，需要多少克纯银？
解析：(1)已知该首饰的质量和体积，根据密度公式求出其密度，然后与银的密度相比较，若两者相等即为纯银的，否则不是纯银的；
(2)已知首饰的体积和银的密度，根据密度公式的变形式求出所需纯银的质量。
答案：(1)该首饰的密度：
m90 g33ρ＝＝9 g/cm＜10.5 g/cm， V10 cm所以不是纯银做成的；
(2)纯银做成的一个同样大的首饰的质量：
m′＝ρ银V＝10.5 g/cm3×10 cm3＝105 g。
答案：(1)该首饰不是纯银的；
(2)纯银做成的一个同样大的首饰的质量为105 g。
说明 教育学生利用学到的知识解决身边的事情，实现学以致用。从前面的密度表可知，一些不同物质的密度是相同的。例如酒精和煤油都是液体，它们的密度都0.8×103 kg/m3。通过对两者气味的判断，在知道密度的基础上可以鉴别出酒精和煤油。可见，利用密度这一重要属性，可以鉴别物质，但是要准确地鉴别物质，常常要多种方法并用。
归纳总结 物质鉴别思路方法
1．先求出物质的密度。
2．查表确定。(此方法可用于鉴别物质的真伪)
3．若不同物质的密度相等的情况下用其他方法来鉴别物质。如：气味，颜色，透明度，硬度，可燃性等等。
跟踪例题
地沟油，泛指在生活中存在的各类劣质油。由于地沟油中含有杂质及有毒物质，很多人猜想它的密度应该比正常食用油的密度要大，为了验证这种猜想，某同学找到质量为0.6 kg的地沟油，测出其体积为0.65 L。试计算该地沟油的密度ρ；能否用密度这一指标来鉴别地沟油？〔已知正常食用油的密度约为(0.91～0.93)×103 kg/m3〕
解析：地沟油的体积：V＝0.65 L＝6.5×104 m3， －
m0.6 kg33地沟油的密度：ρ＝－0.92×10 kg/m。 V6.5×10 m答案：该地沟油的密度为0.92×103 kg/m3，在正常食用油密度范围之内，但是不能用密度这一指标来鉴别地沟油，还需要借助“地沟油”的其他物理和化学性质。
同步训练
1．一定质量的气体受热后体积膨胀，密度将________，气体会上升。一定质量的4 ℃的水体积达到最________值，此时密度最________。
答案：变小 小 大
2．自来水管冻裂是因为：冰的密度________水的密度，一定质量的水凝结成冰后体积________。
答案：小于 变大
冰3．1 cm3的冰融化成水后，质量为________g，体积是________cm3。(已知：ρ
0.9×103 kg/m3，ρ水＝1.0×103 kg/m3)
答案：0.9 0.9 ＝
4．建筑工地需要用砂石400 m3，可用载重4 t的卡车运送，需运________车。(ρ砂＝
2.6×103 kg/m3)
答案：260
5．有一件标称纯金的工艺品，其质量是100 g，体积是6 cm3，则此工艺品________(选填“是”或“不是”)纯金制造。(ρ金＝19.3×103 kg/m3)
答案：不是
6．根据有关行业规定：白酒的度数是指在气温为20 ℃时每100 mL酒中所含有的酒精的毫升数目。罗田大别山名酒“45° 500 mL楚乡醇”“42° 500 mL楚乡春”，它们的密度各是多少？质量多大？(选其中一种酒计算)
解：根据白酒行业的规定，设有“45° 500 mL楚乡醇”中有V酒精，则有
45 mL/100 mL＝V酒精/500 mL 解之得：V酒精＝225 mL 则V水＝500 mL－225 mL＝275 mL；
则m水＝ρ水V水＝1 g/cm3×275 cm3＝275 g；m酒精＝ρ酒精V酒精＝0.8 g/cm3×225 cm3＝180 g
则酒的总质量m酒＝275 g＋180 g＝455 g；V酒＝500 mL
所以ρ酒＝m酒/V酒＝455 g/500 mL＝0.911 g/cm3 纯酒精的密度0.8 g/cm3，通过计算可以看出白酒的度数越高，该酒的密度就越小，所以通过计算或测量白酒的密度就可以断定白酒度数的高低。
7．一个铅球的质量是4 kg，经测量知道它的体积是0.57 dm3。这个铅球是用铅制作的吗？
解：已知：m＝4 kg V＝0.57 dm3＝0.57×103 m3。 －
根据密度公式ρ＝m/V＝4 kg/0.57×103 m3＝7.1×103 kg/m3 －
答案：由于铅的密度是11.3×103 kg/m3，可知本铅球不是纯铅制成的。铅球可能是铅和其他金属的合金制成的。我们要鉴定铅球是用什么材料制成的还需要其他方面的知识。可知：密度可以鉴别物质，但是准确鉴别物质常常多种方法并用。
8．某仓库有一捆铁丝，其质量为7.9 kg，测得直径为1 mm，问这捆铁丝有多长？ 分析：铁丝的长度可用刻度尺量，但是一捆铁丝，用刻度尺量很不方便，利用密度公
式间接求出就方便了。
mm7.9 kg－33解：根据ρ＝得 V＝10 m Vρ7.9×10 kg/m又因为铁丝可视为圆柱体，可由公式V＝πR2L得：
L＝1 274 m
答：这捆铁丝长1 274 m。
9．新疆加油站的油价有两种计价方式，一种是以所加油的质量计价，另一种是以所加油的体积计价，你认为哪种计价方式较公平合理？简述理由。
答：在两种计价方法之间进行选择的时候，关键是要选择一种不受温度影响的作为计价的方式才合理。新疆地区最突出的特点是昼夜温差大，质量不会受温度的影响而体积会由于温度而发生改变，所以为了公平，还是应当以不受温度影响的质量进行计价。质量是物质的一种属性，而体积则要受温度的影响——“热胀冷缩”。
规律总结
1．密度与温度关系：一定质量的气体，当温度升高时，体积膨胀后，密度变小。
2．水的反常膨胀，4 ℃水的密度最大。
3．密度可以鉴别物质先求出物质的密度；查表确定。若不同物质的密度相等的情况下用其他方法来鉴别物质。如：气味，颜色，透明度，硬度，可燃性等等。
板书设计
密度与社会生活与人类社会生活的关系：采矿、扬场、盐水选种„„ 一般规律：密度与温度水的反常膨胀具体应用密度与物质鉴别：求质量、求体积 m依据：ρ＝V
活动与探究
物质从液态变成固态的时候，体积是变大了还是变小了？
情景一：夏天，小明为了解热，自己制作了冰棒，当他将制好的冰棒连同冰棒模型从冰箱中取出时发现了一个奇怪的现象：原来与冰棒模型口齐平的水结冰后，竟然向外“鼓”了出来，如图1。
图1
情景二：小红擅长用蜡塑像，可每次将熔化的蜡水倒进模型中冷却后，原来与模型口齐平的蜡水中间却凹下去一个坑，如图2所示。
图2
问题：物质的温度降低后，体积增大还是缩小？
猜想：下面是三位同学对上述问题的看法及猜想。
甲：水结冰时膨胀了，表明物质温度降低时体积要增大。
乙：蜡水凝固时向内凹进去，表明物质温度降低时体积要缩小。
丙：有的物质降温体积缩小，有的物质降温时体积要增大。
由小明和小红的经历，结合你自己的思考和经历，你更支持谁的看法？________理由是________。 实验：将水、食用油、熔化的蜡烛、洗发精分别装满四个相同的小玻璃杯，放进冰箱的冷冻室内，待它们全部凝固后取出，观察体积的变化，结果发现：只有水结冰后表面向外鼓出来，其余液体降温后表面向内部凹陷进去。
交流：(1)除了________以外，一般的液体凝固后体积都要________。
(2)一般物质由液态变为固态时，分子间的距离要变________。
(3)一般物质由固态变为液态或由液态变为气态时，体积要变________。
测定空气的密度
器材：
皮球，打气筒，气针，量杯，水盆，天平，砝码，乳胶管，管夹等。
操作：
(1)用气筒将皮球打足气，用天平称出皮球的质量m1。
(2)将量杯装满水后，倒放在水盆中，用气针和乳胶管将皮球中的空气引入量杯内，用量杯排水集气的方法排出皮球中的气体(如图)。如果量杯已集满气，而皮球中的空气尚未排完，可以夹紧管夹暂停放气，将量杯装满水后重新集气。
(3)排出皮球中一定量的空气之后夹紧管夹，拔出气针。用天平称出皮球的质量m2，则排出空气的质量为m＝m1－m2。
(4)从调换量杯的次数和最后一次量杯中气体的体积，可以知道从皮球中排出的空气在常压下的体积V。那么空气在常压下的密度ρ＝m/V。
注意：放气前后皮球的体积尽量不要变，这样空气对皮球的浮力就保持不变。
根据气体的密度随温度变化而变化的现象，试分析房间里的暖气一般都安装在窗户下面的道理。
提示 冷空气密度大，下沉；热空气密度小，上浮。
解答 窗户阻挡冷空气进入的能力明显小于墙体，因此大部分冷空气肯定是从窗户进入的。而冷空气的密度大于热空气，会自然向下流动。这时，在窗户下面的暖气散发出来的热气会第一时间接触冷空气，并进而在室内形成从窗下到顶棚再到窗户对面的墙壁，再从地面回到窗下的空气环流。由此，最大限度地利用暖气散发的热量，给室内空气加热。
备课资料
新材料
新材料包括超导材料、纳米材料、激光材料、生物材料、绿色材料、智能材料、形状记忆合金等。他们是时代的宠儿，是人类值得自豪的发现和发明。
1．超导材料——低温下的奇迹
超导材料在某温度下可以做到零电阻，传输电力不需要损耗，不发热，这就可以解决很大的电力。而且超导还有抗磁性，只需消耗很少的电能就可以产生较大的稳态强磁场，而用常规导体，则要消耗很多的电能及大量的冷却水。利用这个性质，可以制成交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电新线路等。
2．纳米材料——微观领域的新宠 纳米材料不同于晶体和非晶体，是物质的第三态固体材料。它是20世纪80年代初发展的，具有奇特的性能和广泛前景。纳米材料具有四大效应：小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应。纳米技术在信息技术、医学、环境、自动化技术和能源科学方面将会取得成就。
3．激光——神奇之光
激光与原子能、半导体、计算机齐名，并称20世纪四大发明。发展始于上世纪60年代，50多年来，激光的研究和应用在工农、军事、能源、信息技术、文化等方面全方位的影响着我们，取得了相当好的经济效益和社会效益。
激光的定向发光可实现对月球的精确测距。大功率的激光器输出的激光亮度要比太阳高上上百亿倍到千亿倍！闪光时间很短，可借助于它了解很快的变化。脉冲激光现在可以达到6飞秒(1飞秒=10-15秒)。颜色纯正单一，激光时钟的计时准确度可达到1 000万年才差一秒！
4．形状记忆合金——有记忆力的金属
研究发现，这种合金的晶体结构可以进行斜方结构和立方结构的转换，从而在不同温度下实现宏观形态的自行转换。
从美国海军军械实验室冶金师布勒在1936年一次实验中偶然发现了这一特性，到最近30几年发展起来的特殊功能材料，已经取得很多不凡的成果。在太空天线研究方面，1970年美国首先将NiTi形状记忆合金做成天线，在较高温度下将合金做成天线，然后在低温的时候做成致密的块状，发射到太空后，由于阳光照射，合金升温到变形的温度，自己变成天线的形状。这种新天线比以前的大大减小了运载空间，也不易损坏。此举说明，这种合金大有用武之地！工业生产中，通过各种“形状记忆”元件的配合，可实现工序间或者整个生产过程的自动化！
几种传统材料
传统材料包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料。
1．金属为我们所熟知，是重要的工程材料。金属键决定了固态金属的特性：良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数、塑性形变能力。有纯铁、碳钢、铸铁，近年来出现低合金超高强度钢，超低温奥氏体钢，塑料模具钢。还有铜及铜合金，铝及铝合金，镁，钛及钛合金。
其中，铝及铝合金，由于自身的优点，在电气工程、航空工业中都有广泛的应用。 还有许多有意思的金属，钼既加强了钢的硬度，又提高了韧性，使其刚柔并济。在钢中掺入1.5%～2%的钼元素之称的坦克钢板，只要30毫米厚，普通炮弹就奈何不了它。
2．陶器大约在新石器时代，有先民们用粘土烧制而成，后来又加入了石英长石等原料，提高工艺，又制成了瓷器。
陶瓷有普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷用于日用、卫生、电器绝缘、化工等。特种陶瓷有生物陶瓷、导电陶瓷、纳米陶瓷、智能陶瓷、透光陶瓷、高温结构陶瓷等。
智能陶瓷对人类有很重要的研究意义。它是指在某种环境中，对气体温度和湿度能敏感的作出反应的陶瓷，如气敏陶瓷、湿敏陶瓷。有一项基于此的技术可以使汽车节约20%以上的汽油消耗。高温结构陶瓷已在能源、军事、航空航天、汽车、电子方面起到了不可取代的地位和作用。
3．高分子材料包括塑料、橡胶、黏膜、纤维、胶合剂和涂料等。塑料、合成纤维和合成橡胶是现代高分子三大合成材料，他们已经成为国民经济建设和日常生活的必需品。近年来有许多新型高分子材料，主要有高分子磁性材料、高分子分离膜、医用高分子材料、光功能高分子材料超级塑料等。它发展迅猛，前景广阔。