Что такое плотность тела в физике. Определение плотности

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Масса – это скалярная физическая величина, характеризующая инертные и гравитационные свойства тел.

Любое тело «сопротивляется» попытке изменить его . Это свойство тел называется инертностью. Так, например, шофер не может мгновенно остановить автомобиль, увидев перед собой внезапно выскочившего на дорогу пешехода. По той же причине трудно сдвинуть с места шкаф или диван. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Говорят, что второе тело является более инертным или обладает большей массой.

Таким образом, мерой инертности тела является его инертная масса. Если два тела взаимодействуют друг с другом, то в результате изменяется скорость обоих тел, т.е. в процессе взаимодействия оба тела приобретают .

Отношение модулей ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс:

Мерой гравитационного взаимодействия является гравитационная масса.

Экспериментально установлено, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Выбрав коэффициент пропорциональности равный единице, говорят о равенстве инертной и гравитационной масс.

В системе СИ единицей измерения массы является кг .

Масса обладает следующими свойствами:

1. масса всегда положительна;
2. масса системы тел всегда равна сумме масс каждого из тел, входящих в систему (свойство аддитивности);
3. в рамках масса не зависит от характера и скорости движения тела (свойство инвариантности);
4. масса замкнутой системы сохраняется при любых взаимодействиях тел системы друг с другом (закон сохранения массы).

Плотность веществ

Плотностью тела называется масса единицы объема:

Единица измерения плотности в системе СИ кг/м .

Разные вещества обладают различной плотностью. Плотность вещества зависит от массы атомов, из которых оно состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса атомов, тем больше плотность вещества. В различных агрегатных состояниях плотность упаковки атомов вещества различна. В твердых телах атомы очень плотно упакованы, поэтому вещества в твердом состоянии имеют наибольшую плотность. В жидком состоянии плотность вещества несущественно отличается от его плотности в твердом состоянии, так как плотность упаковки атомов все еще велика. В газах молекулы слабо связаны друг с другом и удаляются друг от друга на большие расстояния, плотность упаковки атомов в газообразном состоянии очень низкая, поэтому в этом состоянии вещества обладают наименьшей плотностью.

Основываясь на данных астрономических наблюдений, определили среднюю плотность вещества во Вселенной, результаты расчетов говорят о том, что в среднем космическое пространство чрезвычайно разрежено. Если «размазать» вещество по всему объему нашей Галактики, то средняя плотность материи в ней окажется равной примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 000 5 г/см 3 . Средняя плотность материи во Вселенной — приблизительно шесть атомов на кубический метр.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

ПРИМЕР 3

§ 9. Что такое плотность вещества?

Что подразумевают, когда говорят: тяжелый, как свинец или легкий, как пух? Ясно, что крупинка свинца будет легкой, и в то же время гора пуха будет обладать изрядной массой. Те, кто пользуется подобными сравнениями, имеют в виду не массу тел, а какую-то иную характеристику.

Нередко в жизни можно встретить тела, имеющие одинаковый объем, но разные массы. Например, помидор и небольшой мячик. А в магазине большой выбор товаров, имеющих равные массы, но различающихся по объему, например, упаковка масла и пакет кукурузных палочек. Из этого следует, что тела равной массы могут иметь различные объемы, а тела, одинаковые по объему, могут различаться по массе. Значит, существует некая физическая величина, которая связывает обе эти характеристики. Эту величину назвали плотностью (обозначают буквой греческого алфавита ρ - ро).

Плотность - это физическая величина, численно равная массе 1 см3 вещества. Единица измерения плотности кг/м3 или г/см3. Таким образом, плотность вещества не меняется при неизменных условиях и не зависит от объема тела.

Существует несколько способов определения плотности ве­щества. Один из этих способов заключается в определении массы вещества путем взвешивания и измерения занимаемого им объема. Используя полученные значения, можно вычислить плотность, разделив массу тела на его объем.

Масса тела т

Плотность = ----- или ρ = --

Объем тела V

Не всегда плотность вещества надо вычислять. Так, для измерения плотности жидкости существует прибор - ареометр. Его погружают в жидкость, В зависимости от плотности жидкости ареометр погружается в нее на различную глубину.

Зная плотность вещества и объем тела, можно вычислить массу тела и обойтись без весов, т = V* ρ

Зная плотность вещества и массу тела, легко рассчитать его объем.

V = m/ ρ

Это очень удобно, когда форма исследуемого тела сложна, например, раковина улитки или осколок минерала.

Немного истории. Именно таким способом уличил во лжи знаменитый Архимед сиракузского ювелира, изготовившего за 250 лет до нашей эры царю Герону корону не из чистого золота. Плотность вещества короны оказалась меньше плотности золота. Ювелир же никак не предполагал разоблачения, ибо форма короны была невероятно сложна.

Плотности разных веществ определены и занесены в специальные таблицы. Такая таблица есть у вас в тетради практикуме на странице 22.

Из таблицы приведенной в тетради практикуме видно, что наименьшую плотность имеют вещества, находящиеся в газообразном состоянии; наибольшую - вещества, находящиеся твердом состоянии. Это объясняется тем, что молекулы в газах расположены далеко друг от друга, а молекулы в твердых телах - близко. Следовательно, плотность вещества связана с тем, насколько близко или далеко расположены молекулы. Да и сами молекулы разных веществ различаются как по массе, так и по размеру.

Разные вещества имеют различную плотность, которая зависит от массы и размера молекул, а также от их взаимного расположения. Плотность вещества можно вычислить, зная его массу и объем тела. Для измерения плотности жидкостей существует прибор ареометр, а для определения плотности разных веществ составлены специальные таблицы.

Ареометр * Плотность веществ

Проверьте свои знания

1. Какая физическая величина называется плотностью вещества?

2. Какие величины надо знать, чтобы вычислить плотность вещества?

3. Каким прибором можно определить плотность жидкости? Как он устроен?

4. Используя таблицу плотности веществ, определите плотность: алюминия , дистиллированной воды, меда.

5. Используя таблицу плотности вещества, назовите:

а) вещество с наибольшей плотностью;

б) с наименьшей плотностью;

в) с плотностью больше, чем у дистиллированной воды.

б. В природе часто взаимодействуют вещества с различной плотностью. Пользуясь таблицей плотностей веществ, объясните, почему:

а) лед всегда располагается на поверхности воды;

б) бензиновая пленка плавает на поверхности лужи;

в) человеку легче плавать в морской воде, чем в пресной?

Тела, изготовленные из разных веществ, при одинаковых объемах имеют разные массы. Например, железо объемом 1 м 3 имеет массу 7800 кг, а свинец того же объема - 13000 кг.

Физическую величину, показывающую, чему равна масса вещества в единице объема (т. е., например, в одном кубическом метре или в одном кубическом сантиметре), называют плотностью вещества.

Чтобы выяснить, как найти плотность данного вещества, рассмотрим следующий пример. Известно, что льдина объемом 2 м 3 имеет массу 1800 кг. Тогда 1 м 3 льда будет иметь массу, в 2 раза меньшую. Разделив 1800 кг на 2 м 3 , получим 900 кг/м 3 . Это и есть плотность льда.

Итак, чтобы определить плотность вещества, надо массу тела разделить на его объем : Обозначим величины, входящие в это выражение, буквами:

m - масса тела, V - объем тела, ρ - плотность тела (ρ -греческая буква «ро»).

Тогда формулу для вычисления плотности можно записать в следующем виде: Единицей плотности в СИ является килограмм на кубический метр (1 кг/м 3). На практике плотность вещества выражают также в граммах на кубический сантиметр (г/см 3). Для установления связи между этими единицами учтем, что

1 г = 0,001 кг, 1 см 3 = 0,000001 м 3 .

Поэтому Плотность одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии различна. Например, плотность воды равна 1000 кг/м 3 , льда - 900 кг/м 3 , а водяного пара (при 0 0 С и нормальном атмосферном давлении) – 0,59 кг/м 3 .

Таблица 3

Плотности некоторых твердых тел

Таблица 4

Плотности некоторых жидкостей

Таблица 5

Плотности некоторых газов

(Плотности тел, указанные в таблицах 3-5, вычислены при нормальном атмосферном давлении и при температуре для газов 0 0C, для жидкотей и твердых тел при 20 0 C.)

1. Что показывает плотность? 2. Что надо сделать, чтобы определить плотность вещества, зная массу тела и его объем? 3. Какие единицы плотности вы знаете? Как они соотносятся друг с другом? 4. Три кубика – из мрамора, льда и латуни – имеют одинаковый объем. Какой из них имеет наибольшую массу, какой – наименьшую? 5. Два кубика – из золота и серебра – имеют одинаковую массу. Какой из них имеет больший объем? 6. У какого из цилиндров, изображенных на рисунке 22, больше плотность? 7. Масса каждого из тел, изображенных на рисунке 23, равна 1 т. У какого из них меньше плотность?

Среди всех прочих веществ на планете Земля самую низкую плотность имеют газы. Жидкости, как правило, характеризуются более высокой по сравнению с ними плотностью, а максимальное значение этого показателя можно встретить у твердых веществ. Так, например, наиболее плотным металлом принято считать осмий.

Измерение плотности

Вместе с тем, в случае, если речь идет об очень малых объемах вещества, в отношении которого необходимо измерить плотность, в применяется использование производной от этой общепринятой единицы, выражаемой как количество граммов на кубический сантиметр. В сокращенном виде эту единицу принято обозначать г/см³.

При этом плотность различных веществ имеет тенденцию к изменению в зависимости от температуры: в большинстве случаев ее понижение влечет за собой увеличение плотности вещества. Так, например, обыкновенный воздух при температуре +20оС имеет плотность, равную 1,20 кг/м³, тогда как при понижении температуры до 0оС его плотность увеличится до 1,29 кг/м³, а при ее дальнейшем понижении до -50оС плотность воздуха достигнет 1,58 кг/м³. Вместе с тем, некоторые вещества представляют собой исключение из этого правила, так как изменение их плотности не подчиняется указанной закономерности: к ним относится, например, вода.

Для измерения плотности веществ применяются различные физические приборы. Так, например, измерить плотность жидкости можно при помощи ареометра, а для того чтобы определить плотность твердого или газообразного вещества, можно воспользоваться пикнометром.

Все строительно-эксплуатационные свойства строительных материалов можно разделить на несколько групп. Перечислим их:

• физические свойства;
• теплофизические;
• гидрофизические;
• химические;
• механические.

Поговорим прежде о том, что представляют собой основные физические свойства материалов.

Одним из важнейших физических свойств является, безусловно, плотность, которая бывает истинной и средней.

Истинная плотность определяется как отношение массы абсолютно плотного материала (т.е. материала, в котором нет никаких пустот, обычно присутствующих в его нормальном, естественном состоянии) к его объёму. Расчёт плотности материала (речь идёт, конечно, об истинной плотности) происходит по следующей формуле:

Где m – это масса материала (измеряется в граммах), Vа – его объём в абсолютно плотном состоянии (измеряется в см3), а ρ – истинная плотность (измеряется в г/см3) .

Значение истиной плотности показывает, насколько вещество, которое лежит в основе материала, тяжёлое либо лёгкое. Стоит заметить, что расчёт плотности материала в этом варианте носит лишь вспомогательный характер, для определения же её пользуются специальным прибором – объёмомером (другое его название – прибор Ле Шателье). Представляет он собой, по сути, мерный цилиндр, в который заливается вода либо любая другая жидкость, не вступающая в химическую реакцию с анализируемым материалом. Работает это так: в процессе исследования материал очень сильно измельчают, потом взвешивают и затем высыпают в прибор, получая при этом за счёт вытесненной жидкости данные об его объёме. А далее уже по вышеприведённой формуле непосредственно происходит расчёт плотности материала.

Истинная плотность строительных материалов может существенно различаться: так, для стали она равна 7,85 г/см3, для гранита – 2,9 г/см3, для древесины – 1,6 г/см3 (данная величина средняя и зависит от используемого материала).

Второй вид плотности (средняя плотность строительных материалов) представляет собой массу единицы объёма материала в его естественном виде (т.е. вместе с пустотами – порами и трещинами).

Как узнаётся средняя плотность? Формула для её определения такова:

где ρm – средняя плотность, m – масса материала, Ve – объём материала в естественном виде.

Объём материала определяют различными способами – зависит это от того, какая у образца либо изделия форма. Само значение средней плотности варьируется, опять же, в достаточно значительном диапазоне: от 10-20 кг/м3 (пенополистирол) до 2500 г/см3 (тяжёлый бетон). В принципе, существуют материалы и с большей средней плотностью.

Средняя плотность строительных материалов зависит от следующих факторов:

• от пористости материала: если пористость равна нулю, то средняя плотность будет равняться истинной плотности, а если пористость увеличивается, средняя плотность снижается (обратная зависимость);
• от влажности материала: средняя плотность тем выше, чем больше воды в строительном материале (исходя из этого расчет плотности материала происходит при полной его сухости).

Многие физические свойства строительных материалов (допустим, прочность, теплопроводность, водопоглощение) можно узнать, именно основываясь на значении их средней плотности.

Описывая основные физические свойства материалов , нельзя не упомянуть о пористости, которая показывает, насколько объём материала заполнен пустотами в виде пор и трещин. Рассчитать пористость строительных материалов можно с помощью следующей формулы:

где П – пористость (%), Vпор – объём пор в исследуемом материале, Ve – объём образца материала в естественном виде.

Также пористость строительных материалов рассчитывается и по другим формулам.

Пористость материалов, применяемых в строительстве, изменяется в довольно широких пределах. Так, к примеру, у стекла, полимеров и метала она равна 0%, у гранита – 0,2-0,8%, а у теплоизоляционных штукатурок пористость может достигать 75 %.

Различают открытую и закрытую пористость строительных материалов. Отличаются они между собой тем, что в первом случае поры открытые и сообщаются с окружающей средой, а во втором – закрытые. Как правило, в одном и том же материале присутствуют сразу два вида пор – и закрытые, и открытые. Пористость оказывает существенное влияние на некоторые эксплуатационные свойства строительных материалов : например, в звукопоглощающих материалах для улучшения поглощения звуков специально делают открытые поры и перфорируют поверхность.

Основные физические свойства материалов не исчерпываются плотностью и пористостью – существует ещё и такое понятие, как «пустотность» , которое применяют, говоря об изделиях, специально созданных с пустотами внутри (такие пустоты есть в керамическом кирпиче). Что касается определения, то значение пустотности характеризует степень заполнения объёма рассматриваемого изделия пустотами.