Лабораторная работа 2 Изучение измерительных инструментов. Определение плотности металлов. Цель работы

Лабораторная работа 2
Изучение измерительных инструментов. Определение плотности металлов.
Цель работы: ознакомиться со способами определения плотности металлов,
овладеть приемами измерения штангенинструментами, приобрести навыки работы с
техническими весами; рассчитать погрешности определения плотности.
Оборудование, материалы и инструменты:
1. Весы рычажные с разновесами;
2. Штангенциркуль;
3. Цилиндр стеклянный градуированный на 25 см;
4. Образец - металлический брусок (прямоугольный параллелепипед);
5. Штатив;
6. Калькулятор;
7. Вода.
2.1. Теоретическое введение
1.Понятие плотности.
Плотность - величина, определяемая как отношение массы образца к его объему, т.е.
она определяет количество покоящейся массы в единице объема.

m
, г/см3
V
(1)
где m - масса образца, г;
V- объем образца, см3.
В зависимости от температуры значение плотности меняется. Так, с увеличением
температуры плотность уменьшается. Поэтому для характеристики образца измерение
значения плотности проводится при стационарных условиях, т.е. при температуре 20°С.
Единица плотности в Международной системе единиц (СИ) - килограмм на
кубический метр (кг/м3), однако, допускается применение и других единиц, например,
(г/см3).
Металлы бывают легкие и тяжелые, их плотность колеблется в очень широком
диапазоне (табл.2.1.).
Таблица 2.1.
Наименование
металла
Химическая
формула
Плотность
Наименование
металла
Химическая
формула
Плотность
Плотность некоторых металлов (г/см3)
Литий
Калий
Натрий
Алюминий
Магний
Цинк
Li
K
Na
Al
Mg
Zn
0,539
0,862
0,968
2,7
1,739
7,13
Чугун
Олово
Железо
Медь
Свинец
Вольфрам
FeC
Sn
Fe
Cu
Pb
W
6,6-7,8
7,29
7,874
8,96
11,34
19,3
1
Практически все металлы тяжелее воды, исключение составляют натрий, калий,
литий.
2.1.1. Правила взвешивания на технических весах.
При взвешивании образца разновес подбирают не беспорядочно, а руководствуясь
следующей системой. Сначала на глаз грубо оценивают массу предмета и помещают на
правую чашку весов гирьку заведомо большей массы. Слегка приоткрыв арретир
убеждаются, что гирька действительно перевешивает. В этом случае ее заменяют
следующей по порядку гирькой меньшей массы. Так поступают до тех пор, пока гирька
не окажется легче взвешиваемого предмета. Тогда к ней добавляют следующую меньшую
гирьку. Операцию повторяют, не пропуская ни одной гирьки до тех пор, пока самая
маленькая добавочная гирька (1г) не вызовет перегрузку. Тогда с чашки весов снимают
эту добавочную гирьку, закрывают дверцу весов и дальнейшее уравновешивание
проводят при помощи рейтера. Все операции рейтера проводят, когда весы арретированы.
Разновески достоинством меньше одного грамма навешиваются посредством рычагов.
Опускание и подъем разновесок осуществляется поворотом двух вращающихся
дисков (внешнего и внутреннего), укрепленных на правой стороне футляра весов. На
дисках нанесены деления, указывающие массы помещенных на планку весов разновесок.
При повороте внешнего диска против стрелки указателя устанавливаются цифры,
показывающие массу разновесок от 100 до 1000 мг, при повороте внутреннего диска - от
10 до 100 мг.
2.1.2. Определение объема образца
Объем образца можно определить двумя способами.
Первый способ - самый быстрый (экспрессный) заключается в измерении объема
воды, вытесненной телом (образцом), погруженным в воду (рис.2.1.). Для этого в
градировочный цилиндр наливают воду до определенного объема и затем осторожно,
чтобы не разбить стеклянный цилиндр, опускают в воду образец. При этом уровень воды
поднимается и замеряется по шкале цилиндра. По разности результатов двух замеров
определяют объем воды, вытесненной телом, что соответствует объёму образца.(V)
Рис.2.1 Определение объема методом погружения.
1 - градуировочный цилиндр, 2 - образец, 3 - вода, 4-штатив.
Второй способ - непосредственное измерение геометрических размеров образца с
помощью измерительных инструментов (линейки, штангенциркуля, микрометра) и расчет
объема по формулам:
1. для прямоугольного параллелепипеда
V=a·b·l
где a, b, l- длины сторон параллелепипеда.
(2.1.)
2. для образцов цилиндрической формы
2
 D
2
V
4
l
(2.2.)
где π - постоянная Планка, равная 3,14;
D - диаметр основания, см;
l- высота цилиндра, см.
2.1.3. Устройство штангенциркуля и приемы измерения
Штангенциркуль - нониусный штриховой измерительный инструмент широко
применяется для измерения наружных и внутренних размеров изделий (рис.2.2).
Рис. 2.2. Штангенциркуль
1-глубиномер, 2-штанга, 3 – нониус, 4,7 – губки рамки, 5,6 – губки, 8 – зажимной
винт, 9 – подвижная рамка
На штанге нанесена основная шкала с ценой деления 1мм. Шкала нониуса 3
расположена на рамке. Данный штангенциркуль имеет точность измерения до 0,1мм.
Существуют также штангенциркули, имеющие точность измерения до 0,05 и 0,02мм.
Измеряемый образец слегка зажимают между губками, фиксируют рамку зажимным
винтом 8 и затем по шкалам штанги и нониуса производят отсчет размера. Шкала нониуса
длиной 19 мм разделена на 10 равных частей и, следовательно, величина каждого деления
нониуса равна 1,9мм. Разность между величинами двух делений штанги и одного деления
нониуса составляет 0,1 мм. При измерении штангенциркулем целое число миллиметров
отсчитывается по шкале штанги слева направо до нулевого штриха нониуса. Дробная
величина (количество десятых долей миллиметра) определяется умножением величины
отсчета (0,1мм) на порядковый номер штриха нониуса (не считая нулевого),
совпадающего со штрихом штанги.
2.1.4. Устройство микрометра и приемы измерения им
К микрометрическим инструментам относятся микрометры для наружных
измерений, микрометрические глубиномеры и штрихмасы (нутромеры) позволяющие
измерять размеры с точностью до 0,01 мм. Микрометры выпускают с пределами
измерений 0-25, 25-50, 50-75, 75-100 мм и т.д.
Рис. 2.3. Микрометр.
1 - скоба. 2 - пятка, 3 – микрометрический винт, 4 – стопор, 5 - стебель, 6 - барабан. 7
- колпачок с насечкой, 8 - гайка, 9 - трещотка.
3
Микрометр для наружных измерений состоит из скобы 1, пятки 2, стебля 5,
зажимного устройства - стопора 4, барабана 6 с микрометрическим винтом 3, колпачка 7 с
насечкой, навинченного на правую часть барабана 6 и трещотки 9, присоединенной
винтом к торцу шейки колпачка. Отсчеты измерений производят по шкалам на стебле 5 и
шкале на коническом нониусе барабана 6.
На стебле 5 вдоль хода нанесены две шкалы: нижняя - с миллиметровыми
делениями, верхняя - со штрихами, делящими каждый миллиметр пополам. При
соприкосновении измерительных плоскостей пятки 2 и микрометрического винта 3
нулевые деления стебля и барабана совпадают. Для предупреждения чрезмерного
давления винта 3 на измеряемые поверхности пользуются трещоткой 9.
Микрометр закрепляют в данном положении осторожным поворотом стопора 4, а
затем находят определенный размер: если кромка барабана ближе к нижнему штриху
стебля (рис.2.4.а), то число целых миллиметров определяют по нижнему делению шкалы,
а число сотых долей миллиметра - по показаниям барабана. Например, на этом рисунке
(рис.2.4.а) положение шкал соответствует размеру 8 + 0,24 = 8,24 мм. Если кромка
барабана ближе к верхнему штриху стебля, то полученный размер представляет сумму
трех величин: числа целых миллиметров до ближайшего нижнего к кромке барабана
деления на стебле; 0,5 мм от него до верхнего деления и показания сотых долей
миллиметра по барабану. Например, на рис.2.4.б положение шкал соответствует размеру
8 + 0,5 + 0,24 = 8,74 мм.
Рис 2.4. Примеры отсчета показаний на микрометре.
2.2. Порядок выполнения работы.
1. Внимательно рассмотреть образец и описать его внешний вид, т.е. провести
микроанализ: цвет, легкость, наличие блеска и др.
2. Проверить готовность весов, установить их на ноль.
3. Взвесить образец.
4. Определить размеры образца с помощью штангенциркуля. Каждая замеряется в
трех местах, как показано на рисунке 2.5.
Рис. 2.5. Обмер образца.
5. Определить объем образца (V) методом вытеснения жидкости:
- налить в цилиндр емкостью 25 см воду до уровня 15 см, произвести точный замер
объема воды;
4
- аккуратно погрузить в воду образец;
- замерить уровень подъема воды;
- по разности двух замеров уровня определить объем образца.
6. Все результаты замеров свести в таблицу 2.1.
Таблица 2.1.
5
6
7
8
a
b
2
b
2
l V
l2 V
3
b
3
l
1
a
a
1
1
V
3
2
V
V
3
V
1
9
!
10
V1
!
11
12
13
1
 ср
2
V2
!
табличная
4
V
средняя
l
расчетная
b
Вес, г
3
a
Плотность, г/см3
средний
Химическая формула
2
Объём, см3
вытесненный
V1
Название образца
1
Размеры, см
расчетный
V
№ образца
Экспериментальные и расчётные данные
 ср
3
V3
 ср
7. Рассчитать объем образца по результатам трех измерении (V 1 V 2 V ) по формуле
3
(2.1.).
8. Рассчитать среднее значение объема образца (V) для трех измерений с учетом
объема
V
1
определенного по п.5 по формулам:
V1

V V

V V
!
1
2
;
V2
2
V ,V
1
2
и
V
3
;
V3  V 3
1 ,  2
9. Определить значение плотностей трех измерений
используя найденные значения
!
2
и
V
!
2
(2.3.)
 3 по формуле (1),
.
10. Определить среднее значение расчетной плотности образца по формуле:

ср

  
1
2
3
3
(2.4.)
11. Рассчитать среднеквадратичную ошибку определения плотности по формуле:
 (  
n

i 1
i
n 1
ср
)2
(2.5.)
где n - число замеров, в нашем случае n=3
5


i
ср
- расчетная плотность каждого из трех замеров г/см3;
- среднее значение расчетной плотности, г/см3.
12. Все полученные результаты занести в таблицу 2.1.
2.3. Отчет о работе
1. Указать цель работы.
2. Дать краткую характеристику внешнего вида образца.
3. Привести протокол определения плотности образца.
4. Сделать выводы по работе.
2.4. Контрольные вопросы.
1. Дать определение плотности.
2. Как пользоваться штангенциркулем и микрометром?
3. Как определить объем образца?
6