体积

科学探究与测量

tǐ jī

体积是一个物体或液体所占空间的大小,用公式或排水法以毫升或立方厘米为单位测量。

Formula

V = l \times w \times h
Visualization

Definition

体积是某样东西所占空间的多少:对液体,你从量器上直接读出体积;对长方体形状,你把长乘以宽再乘以高,$V = l \times w \times h$。液体的体积以升和毫升为单位,固体的体积以立方厘米和立方米为单位,$1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3$,一个不规则固体的体积通过排水法测得:把它浸入量筒中,用最终液面减去起始液面。体积是一种广延性质,会随物质的量按比例变化,对液体和气体来说,还与温度和压强有关。排水法只对下沉、既不吸水也不溶于液体的物体有效,量筒的刻度通常是决定密度测量不确定度的限制因素。

Example

一块长 $4\ \text{cm}$、宽 $2\ \text{cm}$、高 $3\ \text{cm}$ 的木块,体积为 $4 \times 2 \times 3 = 24\ \text{cm}^3$,把水倒入量筒到 $50$ 刻度线,体积就是 $50\ \text{mL}$。一个量筒装有 $20.0\ \text{mL}$ 水,放入一块岩石后液面升到 $25.0\ \text{mL}$,所以这块岩石的体积是 $5.0\ \text{cm}^3$,配合 $13.5\ \text{g}$ 的质量,密度为 $2.7\ \text{g/cm}^3$。这个由每 $1\ \text{mL}$ 一格的量筒得到的 $5.0\ \text{mL}$,其两次读数之差携带大约 $\pm 0.14\ \text{mL}$ 的不确定度,接近 $3\%$,而一个每 $0.1\ \text{mL}$ 一格的 $10\ \text{mL}$ 量筒能把它降低约十倍,这比任何更好的天平所能做到的都更有效。

Key Insight

一毫升和一立方厘米是同样大小的空间;一块方糖大约是 $1\ \text{cm}^3$,如果它是空心的,大约能装下 $1\ \text{mL}$ 的水。排水法之所以有效,是因为两样东西不能同时占据同一空间,所以被挤开的那部分水的体积,恰好等于放进去的物体的体积。体积是对操作技术最敏感的测量,一个滞留的气泡、一面沾湿的量筒壁,或者从上方读取弯月面,每一种都会朝已知的方向带来偏差,知道每种误差的偏移方向,就能在重做试验之前诊断出一个偏离的密度值是怎么来的。