Плотность равняется. Задачи на плотность, массу и объем с решением

Поставим на чашки весов (рис. 122) железный и алюминиевый цилиндры одинакового объема. Равновесие весов нарушилось. Почему?

Рис. 122

Выполняя лабораторную работу, вы измеряли массу тела, сравнивая массу гирь с массой тела. При равновесии весов эти массы были равны. Нарушение равновесия означает, что массы тел не одинаковы. Масса железного цилиндра больше массы алюминиевого. Но объемы у цилиндров равны. Значит, единица объема (1 см 3 или 1 м 3) железа имеет большую массу, чем алюминия.

Масса вещества, содержащегося в единице объема, называется плотностью вещества . Чтобы найти плотность, необходимо массу вещества разделить на его объем. Плотность обозначается греческой буквой ρ (ро). Тогда

плотность = масса/объем

ρ = m/V .

Единицей измерения плотности в СИ является 1 кг/м 3 . Плотности различных веществ определены на опыте и представлены в таблице 1. На рисунке 123 изображены массы известных вам веществ в объеме V = 1 м 3 .

Рис. 123

Плотность твердых, жидких и газообразных веществ
(при нормальном атмосферном давлении)

Как понимать, что плотность воды ρ = 1000 кг/м 3 ? Ответ на этот вопрос следует из формулы. Масса воды в объеме V = 1 м 3 равна m = 1000 кг.

Из формулы плотности масса вещества

m = ρV .

Из двух тел равного объема большую массу имеет то тело, у которого плотность вещества больше.

Сравнивая плотности железа ρ ж = 7800 кг/м 3 и алюминия ρ ал = 2700 кг/м 3 , мы понимаем, почему в опыте (см. рис. 122) масса железного цилиндра оказалась больше массы алюминиевого цилиндра такого же объема.

Если объем тела измерен в см 3 , то для определения массы тела удобно использовать значение плотности ρ, выраженное в г/cм 3 .

Формула плотности вещества ρ = m/V применяется для однородных тел, т. е. для тел, состоящих из одного вещества. Это тела, не имеющие воздушных полостей или не содержащие примесей других веществ. По значению измеренной плотности судят о чистоте вещества. Не добавлен ли, например, внутрь слитка золота какой-либо дешевый металл.

Подумайте и ответьте

1. Как бы изменилось равновесие весов (см. рис. 122), если бы вместо железного цилиндра на чашку поставили деревянный цилиндр такого же объема?
2. Что такое плотность?
3. Зависит ли плотность вещества от его объема? От массы?
4. В каких единицах измеряется плотность?
5. Как перейти от единицы плотности г/cм 3 к единице плотности кг/м 3 ?

Интересно знать!

Как правило, вещество в твердом состоянии имеет плотность большую, чем в жидком. Исключением из этого правила являются лед и вода, состоящие из молекул H 2 O. Плотность льда ρ = 900 кг/м 3 , плотность воды? = 1000 кг/м 3 . Плотность льда меньше плотности воды, что указывает на менее плотную упаковку молекул (т. е. большие расстояния между ними) в твердом состоянии вещества (лед), чем в жидком (вода). В дальнейшем вы встретитесь и с другими весьма интересными аномалиями (ненормальностями) в свойствах воды.

Средняя плотность Земли равна примерно 5,5 г/cм 3 . Этот и другие известные науке факты позволили сделать некоторые выводы о строении Земли. Средняя толщина земной коры около 33 км. Земная кора сложена преимущественно из почвы и горных пород. Средняя плотность земной коры равна 2,7 г/cм 3 , а плотность пород, залегающих непосредственно под земной корой, - 3,3 г/cм 3 . Но обе эти величины меньше 5,5 г/cм 3 , т. е. меньше средней плотности Земли. Отсюда следует, что плотность вещества, находящегося в глубине земного шара, больше средней плотности Земли. Ученые предполагают, что в центре Земли плотность вещества достигает значения 11,5 г/cм 3 , т. е. приближается к плотности свинца.

Средняя плотность тканей тела человека равна 1036 кг/м 3 , плотность крови (при t = 20°С) - 1050 кг/м 3 .

Малую плотность древесины (в 2 раза меньше, чем пробки) имеет дерево бальса. Из него делают плоты, спасательные пояса. На Кубе растет дерево эшиномена колючеволосая, древесина которой имеет плотность в 25 раз меньше плотности воды, т. е. ρ = 0,04 г/cм 3 . Очень большая плотность древесины у змеиного дерева. Дерево тонет в воде, как камень.

Сделайте дома сами

Измерьте плотность мыла. Для этого используйте кусок мыла прямоугольной формы. Сравните значение измеренной вами плотности со значениями, полученными вашими одноклассниками. Равны ли полученные значения плотности? Почему?

Интересно знать

Уже при жизни знаменитого древнегреческого ученого Архимеда (рис. 124) о нем слагались легенды, поводом для которых служили его изобретения, поражавшие современников. Одна из легенд гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона или ювелир подмешал туда значительное количество серебра. Конечно же, корона при этом должна была остаться целой. Определить массу короны Архимеду труда не составило. Гораздо сложнее было точно измерить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Трудность состояла в том, что она имела неправильную форму!

Рис. 124

Как-то Архимед, поглощенный мыслями о короне, принимал ванну, где ему пришла в голову блестящая идея. Объем короны можно определить, измерив объем вытесненной ею воды (вам знаком такой способ измерения объема тела неправильной формы). Определив объем короны и ее массу, Архимед вычислил плотность вещества, из которого ювелир изготовил корону.

Как гласит легенда, плотность вещества короны оказалась меньше плотности чистого золота, и нечистый на руку ювелир был уличен в обмане.

Упражнения

1. Плотность меди ρ м = 8,9 г/cм 3 , а плотность алюминия - ρ ал = 2700 кг/м 3 . Плотность какого вещества больше и во сколько раз?
2. Определите массу бетонной плиты, объем которой V = 3,0 м 3 .
3. Из какого вещества изготовлен шар объемом V = 10 см 3 , если его масса m = 71 г?
4. Определите массу оконного стекла, длина которого a = 1,5 м, высота b = 80 см и толщина c = 5,0 мм.
5. Общая масса N = 7 одинаковых листов кровельного железа m = 490 кг. Размер каждого листа 1 x 1,5 м. Определите толщину листа.
6. Стальной и алюминиевый цилиндры имеют одинаковые площади поперечного сечения и массы. Какой из цилиндров имеет большую высоту и во сколько раз?

Рисунок 1. Таблица плотностей некоторых веществ. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Все тела в окружающем нас мире имеют различные размеры и объемы. Но даже при одинаковых объемных данных масса веществ будет существенно отличаться. В физике такое явление называют плотностью вещества.

Плотность – это основное физическое понятие, дающее представление о характеристиках любого известного вещества.

Определение 1

Плотность вещества – физическая величина, которая показывает массу определенного вещества в единице объема.

Единицами объема в пересчете плотности вещества обычно являются кубический метр или кубический сантиметр. Определение плотности вещества осуществляется специальным оборудованием и приборами.

Для определения плотности вещества необходимо массу его тела поделить на собственный объем. При расчете плотности вещества используют следующие величины:

массу тела ($m$); объем тела ($V$); плотность тела ($ρ$)

Замечание 1

$ρ$ - это буква греческого алфавита "ро" и ее нельзя путать с похожим обозначением давления – $p$ («пэ»).

Формула плотности вещества

Расчет плотности вещества происходит с использования системы измерений СИ. В ней единицы плотности выражаются в килограммах на кубический метр или граммах на кубический сантиметр. Также можно использовать любую систему измерения.

У вещества бывают разные степени плотности, если оно находится в различных агрегатных состояниях. Иными словами, плотность вещества, находящегося в твердом состоянии, будет иным, чем плотность этого же вещества в жидком или газообразном состоянии. Например, для воды характерна плотность в обычном жидком состоянии 1000 килограммов на кубический метр. В замороженном состоянии вода (лед) будет иметь плотность уже 900 килограммов на кубический метр. Водяной пар при нормальном атмосферном давлении и температуре близкой к нулю градусов будет иметь плотность 590 килограммов на кубический метр.

Стандартная формула плотности вещества выглядит следующим образом:

Помимо стандартной формулы, которая используется только для твёрдых веществ, существует формула для газа в нормальных условиях:

$ρ = M / Vm$, где:

• $M$ - молярная масса газа,
• $Vm$ - молярный объём газа.

Существуют два вида твердых тел:

• пористые;
• сыпучие.

Замечание 2

Их физические характеристики напрямую влияют на показатели плотности вещества.

Плотность однородных тел

Определение 2

Плотностью однородных тел называют отношение массы тела к его объему.

В понятие плотности вещества вмещают определение плотности однородного и равномерно распределенного тела с неоднородной структурой, которое состоит из этого вещества. Это постоянная величина и для большего понимания информации формируют специальные таблицы, где собраны все распространенные вещества. Значения по каждому веществу разделены на три составляющие:

• плотность тела в твердом состоянии;
• плотность тела в жидком состоянии;
• плотность тела в газообразном состоянии.

Вода достаточно однородное вещество. Некоторые вещества не столь однородны, поэтому для них определяют среднюю плотность тела. Для выведения этого значения необходимо знать результат ρ вещества по каждому компоненту в отдельности. Сыпучие и пористые тела обладают истинной плотностью. Она определяется без учета пустот в своей структуре. Удельную плотность можно рассчитать путём деления массы вещества на весь занимаемый им объём.

Подобные величины связаны между собой коэффициентом пористости. Он представляет собой отношение объёма пустот к общему объёму тела, которое в данный момент исследуется.

Плотность веществ зависит от многих дополнительных факторов. Ряд из них одновременно повышают для одних веществ эту величину, а для остальных - понижают. При низкой температуре происходит увеличение плотности вещества. Некоторые вещества способны реагировать на изменение температурного режима по-разному. В этом случае принято говорить, что плотность при определённом температурном диапазоне ведёт себя аномальным образом. К таким веществам часто относят бронзу, воду, чугун и некоторые другие сплавы. Плотность воды имеет наибольший показатель при 4 градусах по Цельсию. При дальнейшем нагреве или охлаждении этот показатель также существенно может изменяться.

Метаморфозы с плотностью воды происходят при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Показатель ρ меняет в этих случаях свои значения скачкообразным образом. Он поступательно увеличивается при переходе в жидкость из газообразного состояния, а также в момент кристаллизации жидкости.

Существует, и немало, исключительных случаев. Например, кремний имеет при затвердевании небольшие значения по плотности.

Измерение плотности вещества

При эффективном измерении плотности вещества обычно используют специальное оборудование. Оно состоит из:

• весов;
• измерительного прибора в виде линейки;
• мерной колбы.

Если исследуемое вещество находится в твердом состоянии, то в качестве измерительного прибора используют мерку в виде сантиметра. Если исследуемое вещество находится в жидком агрегатном состоянии, то при измерениях используют мерную колбу.

Сначала предстоит измерить объем тела при помощи сантиметра или мерной колбы. Исследователь наблюдает за шкалой измерений и фиксирует получившийся результат. Если исследуется деревянный брус кубической формы, то плотность будет равна значению стороны, возведенную в третью степень. При исследовании жидкости необходимо дополнительно учитывать массу сосуда, при помощи которого проводятся измерения. Полученные значения необходимо подставить в универсальную формулу по плотности вещества и рассчитать показатель.

Для газов расчет показателя происходит очень сложно, поскольку необходимо пользоваться различными измерительными приборами.

Обычно для расчета плотности веществ используют ареометр. Он предназначен для получения результатов у жидкостей. Истинную плотность изучают при помощи пикнометра. Почвы исследуют при помощи буров Качиньского и Зайдельмана.

В химических лабораториях очень часто приходится определять плотность. В литературе -прежних лет и в справочниках старых изданий приводятся таблицы удельных весов растворов и твердых тел. Этой величиной пользовались вместо плотности, являющейся одной из важнейших физических величин, которыми характеризуют свойства вещества.

Плотностью вещества называют отношение массы тела к его объему:

Следовательно, плотность вещества выражают * в г/см3. Удельным весом у называют отношение веса (силы тяжести) вещества к объему:

Плотность и удельный вес вещества находятся в такой же зависимости между собой, как масса и вес, т. е.

где g - местное значение ускорения силы тяжести при свободном падении. Таким образом, размерность удельного веса "(г/см2 сек2) и плотности (г/см3), а также их числовые значения, выраженные в одной системе единиц, отличаются друг от друга *.

Плотность тела не зависит от его местонахождения на Земле, в то время как удельный вес изменяется в зависимости от того, в каком месте Земли его измерить.

В ряде случаев предпочитают пользоваться так называемой относительной плотностью, представляющей собой отношение плотности данного вещества к плотности другого вещества при определенных условиях. Относительная плотность выражается отвлеченным числом.

Относительную плотность d жидких и твердых веществ принято определять по отношению к плотности дистиллированной воды:

Само собой разумеется, что р и рв должны выражаться одинаковыми единицами.

Относительную плотность d можно также выражать отношением массы взятого вещества к массе дистиллированной воды, взятой в том же объеме, что и вещество, при определенных, постоянных условиях.

Поскольку числовые значения как относительной плотности, так и относительного удельного веса при указанных постоянных условиях являются одинаковыми, пользоваться таблицами относительных удельных весов в справочниках можно так же, как если бы это были таблицы плотности.

Относительная плотность является постоянной величиной для каждого химически однородного вещества и для растворов при данной температуре. Поэтому по

* В ряде случаев плотность выражают в г/мл. Различие между числовыми значениями плотности, выраженными в г/см3 и г/мл, очень незначительно. Его следует принимать во внимание лишь при работах особой точности.

Поэтому по величине относительной плотности во многих случаях можно судить о концентрации вещества в растворе.

* В технической системе единиц (MKXCC). в которой за основную единицу принята не единица массы, а единица силы - килограмм-сила (кГ или кгс), удельный вес выражается в кГ/м3 или Г/см3. Следует отметить, что числовые значения удельного веси, измеренного в Г/см3, и плотности, измеренной в г/см3, совпадают, что нередко вызывает путаницу в понятиях «плотность» и «удельный вес».

Обычно плотность раствора увеличивается с увеличением концентрации растворенного вещества (если оно само имеет плотность больше, чем растворитель). Но имеются вещества, для которых увеличение плотности с увеличением концентрации идет только до известного предела, после которого при увеличении концентрации происходит уменьшение плотности.

Например, серная кислота имеет наивысшую плотность, равную 1,8415 при концентрации 97,35%. Дальнейшее увеличение концентрации сопровождается уменьшением плотности до 1,8315, что соответствует 99,31%.

Уксусная кислота имеет максимальную плотность при концентрации 77- 79%, а 100%-ная уксусная кислота имеет ту же плотность, что и 41%-ная.

Относительная плотность зависит от температуры, при которой ее определяют. Поэтому всегда указывают температуру, при которой делали определение, и температуру воды (объем взят за единицу). В справочниках это показывают при помощи соответствующих индексов, например eft; приведенное обозначение указывает, что относительная плотность определена при температуре 2O0C и за единицу для сравнения взята плотность воды при температуре 4е С. Встречаются также и другие индексы, обозначающие условия, при которых производилось определение относительной плотности, например Я4 Ul и т. д.

Изменение относительной плотности 90%-ной серной кислоты в зависимости от температуры окружающей среды приводится ниже:

Относительная плотность с повышением температуры уменьшается, с понижением ее -увеличивается.

При определении относительной плотности необходимо отмечать температуру, при которой оно проведено, и полученные величины сравнивать с табличными данны-, ми, определенными при той_же температуре.

Если измерение проведено не при той температуре, которая указана в справочнике, то. вводят поправку, вычисляемую как среднее изменение относительной плотпости на один градус. Например, если в интервале между 15 и 20 0C относительная плотность 90%-ной серной кислоты уменьшается на 1,8198-1,8144 = 0,0054, то в среднем можно принять, что при изменении температуры на 1 0С (выше 15 0C) относительная плотность уменьшается на 0,0054: 5 = 0,0011.

Таким образом, если определение вести при 18 0C, то относительная плотность указанного раствора должна быть равна:

Однако для введения температурной поправки к относительной плотности удобнее пользоваться приведенной ниже номограммой (рис. 488). Эта номограмма, кроме того, дает возможность но известной относительной плотности, вычисленной при стандартной температуре 20° С, приближенно определять относительную плотность при других температурах, в чем иногда может возникнуть потребность.Относительную плотность жидкостей можно определять при помощи ареометров, пикнометров, специальных весов и т. п.

Определение относительной плотности ареометрами.

Для быстрого определения относительной плотности жидкости применяют так называемые ареометры (рис. 489). Это-стеклянная трубка (рис. 489, а), расширяющаяся внизу и имеющая на конце стеклянный резервуар, заполненный дробью нли специальной массой, (реже - ртутью). В верхней узкой части ареометра имеется шкала с делениями. Чем меньше относительная плотность жидкости, тем глубже погружается в нее ареометр. Поэтому на его шкале вверху нанесено наименьшее значение относительной плотности, которое можно определить данным ареометром, внизу - наибольшее. Например, у ареометров для жидкостей с относительной плотностью меньше единицы внизу стоит 1,000, выше 0,990, еще выше 0,980 и т. д.

Промежутки между цифрами разделены на более мелкие деления, позволяющие определять относительную плотность с точностью до третьего десятичного знака. У наиболее точных ареометров шкала охватывает значения относительной плотности в пределах 0,2-0,4 единицы (например, Для определения плотности от 1,000 до 1,200, от 1,200 до 1,400 и т. д.). Такие ареометры обычно продают в виде наборов, которые дают возможность определять относительную плотность в широком интервале.

Номограмма для введения температурной поправки

Иногда ареометры снабжены термометрами (рис. 489,6), что позволяет одновременно измерять температуру, при которой проводится определение. Для определения относительной плотности при помощи ареометра жидкость наливают в стеклянный цилиндр (рис. 490) емкостью не менее 0,5 л, сходный по форме с мерным, но без носика и делений. Размер цилиндра должен соответствовать размеру ареометра. Наливать жидкость в цилиндр до краев не следует, так как при погружении ареометра жидкость может перелиться через край. Это бывает даже опасно при измерении плотности концентрированных кислот или концентрированных щелочей и пр. Поэтому уровень жидкости в цилиндре должен быть на несколько сантиметров ниже края цилиндра.

Иногда цилиндр для определения плотности имеет вверху желоб, расположенный концентрически, так что если жидкость при погружении ареометра перельется через край, то она не выльется на стол.

Для определения относительной плотности имеются специальные приборы, поддерживающие постоянный уровень жидкости в цилиндре. Схема одного из таких приборов приведена на рис. 491. Это - цилиндр 2, имеющий на определенной высоте отводную трубку 3 для стекания жидкости, вытесняемой ареометром при погружении его в жидкость. Вытесняемая жидкость поступает в трубку 4, имеющую кран 5, через который жидкость может быть слита. Цилиндр можно наполнять исследуемой жидкостью через уравнительную трубку /, имеющую в верхней части цилиндрическое расширение.

В промышленности и сельском хозяйстве есть необходимость знать плотность используемых веществ, например, массу и объем бетона по его плотности рассчитывают бетонщики при заливке фундамента, колонн, стен, мостовых опор, откосов, плотин и т. д. Плотность вещества - это физическая величина, характеризующая массу тела, отнесенную к его объему.

При этом предполагается, что тело является сплошным, без пустот и примеси другого вещества. Данная величина для различных веществ отражена в справочных таблицах. Но интересно знать, каким образом заполняются такого рода таблицы, как определяют плотность неизвестных веществ. Самые простые способы определения плотности веществ:

Для жидкостей с помощью ареометра;

Для жидкостей и твердых тел путем измерения объема и массы и вычисления по формуле.

Иногда по причине неправильной формы тел или их больших размеров бывает трудно или даже невозможно определить их объем с помощью линейки или мензурки. Тогда возникает вопрос, каким способом определить их плотность, не прибегая к измерению объема, или нет возможности определить массу вещества?

Цель работы: Решение экспериментальных задач по определению плотности различных веществ.

Задачи: 1) Изучить различные методы определения плотности вещества, описанные в литературе

2) Измерить плотность некоторых веществ методами, предложенными в литературе и оценить границы погрешностей каждого метода

3) Определить плотность неизвестного вещества на основе выявленных способов.

4)Представить в виде таблиц плотность растворов соли, сахара и

4 медного купороса различной концентрации.

Материалы и методика исследований: Исследования проводились с распространенными веществами: 10%-ый раствор соли, 10%-ый раствор медного купороса, вода, алюминий, сталь и т. д. Для измерений использовались приборы 4-го класса точности: весы с разновесами, ареометр, сообщающиеся сосуды от жидкостного манометра, а также набор калориметрических тел. Опыты проводились при комнатной температуре (20-250С), в помещении школы, в кабинете физики.

5 11. 3. Определение плотности жидкости а) Метод взвешивания тела в воздухе и неизвестной жидкости

Цель: Определить плотность жидкости (раствора медного купороса). Плотность ρ0 воды равна 1000 кг/м.

Приборы: Динамометр, нить, сосуд с водой, сосуд с неизвестной жидкостью, тело из набора калориметрических тел.

Ход работы: С помощью динамометра определяем вес тела в воздухе (P1), в воде (P2) и в неизвестной жидкости (P3).

FA=ρgV - сила

Архимеда Архимедова сила, действующая на тело в воде, равна

FA=P1-P2, а в неизвестной жидкости:

Согласно закону Архимеда запишем

P1-P2=ρ0Vg, (1)

Решая систему уравнений (1) и (2), находим плотность неизвестной жидкости:

ρ=(P1-P3)/Vg, V=(P1-P2)/ρ0g, ρ=(P1-P3/P1-P2)ρ0.

ρ= (1H-0,6H/1H-0,7H)1000 кг/м3 = 400H кг/м3/0,3H=1333,(3) кг/м3 б) Метод сравнения с плотностью воды

Оборудование: Сообщающиеся сосуды из стеклянных трубок (со шкалой), резиновая трубка, мензурка, пипетка, колбы (или стеклянные банки) с различными жидкостями.

Ход работы: 1. На один конец сообщающихся сосудов надевают резиновую

6 трубку (предварительно зажав последнюю, чтобы через нее в сообщающиеся сосуды не вошел воздух).

2. Пипеткой наливают в сообщающиеся сосуды исследуемую жидкость (до определенного уровня).

3. Наливают (до некоторого уровня) дистиллированную воду в мензурку.

4. Свободный конец резиновой трубки погружают (до дна) в мензурку (рис. 1). При этом уровень жидкости в коленах сообщающихся сосудов изменится (пусть h1 - разность уровней в коленах)

5. Исследуемую жидкость из сообщающегося сосуда выливают и вместо нее наливают дистиллированную воду до прежнего уровня.

6. Вылив из мензурки воду, наливают в нее исследуемую жидкость до прежнего уровня.

7. Снова погружают свободный конец резиновой трубки в мензурку и опять находят разность уровней.

Поскольку высота уровня жидкости обратно пропорциональна ее плотности, можно записать: h1/h2 = ρx/ρв, или ρВ=h2ρВ/h1, где ρВ и ρX - соответственно плотности дистиллированной воды и исследуемой жидкости.

h1= 3,5 см h2= 5 см

ρX= 5 см / 3,5 см 1000кг/м3 = 1428 кг/м3

Таким образом, зная плотность жидкости, можно узнать, какую жидкость мы исследовали. В данном случае это медный купорос.

7 2. Определение плотности твердого тела а) Метод взвешивания образца в воздухе и воде

Оборудование: Весы с разновесом, стакан на 0,5 л, нитки и куски проволоки, исследуемые образцы (куски алюминия, олова, гранита, дерева, пластинка из плексигласа, корковая пробка).

Метод выполнения работы: Предлагаемый метод позволяет определить плотность любого вещества (имеющего плотность больше или меньше, чем у воды) с помощью взвешивания образца в воздухе и воде.

Пусть m1 - масса исследуемого тела. Тогда его вес в воздухе можно найти так:

Р =m1g, (1) где g - ускорение свободного падения. Погруженное в воду это тело имеет вес

Здесь FA- архимедова сила:

(V - объем вытесненной телом воды, ρВ - ее плотность).

Уравновесив весы, получаем:

P2=m2g, (4) где та - масса гирь, которые необходимо поместить на левую чашку, чтобы уравновесить весы. Из (1) - (4) получаем: m2=m1-ρвV (5)

Поскольку объем V равен объему погруженного в воду тела, то можно записать:

V=m1/ρx (6) где ρx - плотность вещества, из которого состоит исследуемое тело. Из (5) и (6) находим:

ρx=m1/(m1-m2)ρв (7)

Порядок выполнения работы:

/. Плотность исследуемых тел больше плотности воды.

1. Определяют массу m1 исследуемого тела.

2. Привязывают исследуемое тело ниткой к левой чашке весов и опускают в стакан с водой (до полного погружения).

3. На эту же чашку помещают гири массой m2 необходимые для уравновешивания весов.

4. По формуле (7) определяют плотность ρx исследуемого тела. Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Таблица 1

Вещество m1, 10-3 m2, 10-3 ρx, 103 ρy, 103 ε, %

кг кг кг м-3 кг м-3

Алюминий 21,85 13,65 2,664 2,698 1,2

Олово 62,4 53,85 7,2982 7,298 0,003

Гранит 17,35 10,75 2,628 2. 5-3 5

Плексиглас 3,75 0,75 1,23 1,18 4,2

ΙΙ. Плотность исследуемых тел меньше плотности воды.

1. Измерить массу m1 исследуемого тела.

2. Тело жестко крепят к левой чашке весов с помощью трех кусков медной проволоки (диаметром 0,5 - 0,7 мм; два куска длиной 10 - 15 см, один -30 - 35 см). Для этого их концы скручивают в жгут, в котором укрепляют стальную иглу (или кусочек жесткой заостренной проволоки), а верхние концы коротких проволок крепят к выступам чашки весов (рис. 2).

Уравновешивают весы. Затем накалывают исследуемое тело на иглу.

3. Тело полностью погружают в воду, а на левую чашку весов добавляют гири массой m2 и добиваются равновесия весов. По формуле

ρx=m1/(m1+m2)ρx находят плотность исследуемого тела. Результаты измерений заносят в таблицу 2.

Таблица 2

вещество m3,10-3 m2,10-3кг pх,103 кгм-3 ρy, табл. ε,%

Пробка Дерево 3,7 22,5 0,14 0,2 30

20 25 0,44 0,45 2,2 б) Метод, основанный на условиях плавания тел.

Оборудование: кусок пластилина, сосуд цилиндрической формы с водой

(ρ = 1 г/см3), линейка.

Ход работы: 1. Погружаем в сосуд с водой кусок пластилина и измеряем линейкой изменения уровня h1 жидкости в сосуде.

2. изготавливаем из пластилина «кораблик» и пускаем его плавать в сосуде с водой. Вновь измеряем изменение уровня h2 жидкости.

3. Находим плотность пластилина по формуле:

ρпласт =mпласт/Vпласт = ρSh2 / Sh1 = ρВh2/h1

ρпласт = ρВh2/h1 h1 = 2мм h2 = 4мм

ρпласт =1000 кг/м3 4мм / 2мм = 2000 кг/м3

Определение плотности неизвестного вещества

Цель: Определить плотность неизвестного вещества Х в твердом состоянии. Вещество Х не растворяется в воде и не вступает с ней в химические реакции.

Оборудование: Стеклянный стакан с водой, пробирка, линейка измерительная, неизвестное вещество Х в виде небольших кусков.

Ход работы: Сначала в пробирку поместим только неизвестное вещество Х и отметим глубину Н погружения пробирки. Затем удалим из пробирки вещество Х и нальем столько воды, чтобы глубина погружения Н во втором опыте была точно такой же, как в первом опыте. В этом случае масса воды mв в пробирке во втором опыте равна массе mх неизвестного вещества в первом опыте: mв= mX

Плотность ρX вещества Х можно вычислить, используя равенство ρX=mX/VX = mВ/VX для уменьшения возможных ошибок измерений при определении глубины Н погружения пробирки воспользуемся, следующим приемом.

Нальем в стакан столько воды, чтобы уровень ее был примерно на 1 см ниже края. Нагружая пробирку неизвестным веществом Х малыми порциями, добьемся такой глубины ее погружения, при котором верхний край пробирки находился на уровне верхнего края сосуда. Это положение пробирки можно определить с большой точностью с помощью линейки, положенной сверху стакана.

Заменив затем неизвестное вещество водой, добьемся точно такой же глубины погружения пробирки, постепенно доливая в нее воду.

Измерим высоту h1 уровня воды в пробирке. Объем воды в пробирке равен

VВ= Sh1, где S - площадь внутреннего поперечного сечения пробирки. Опустим использованное ранее в опыте неизвестное вещество в пробирку с водой и измерим высоту уровня h2 воды в ней. Объем вещества Vх выразим через площадь S внутреннего поперечного сечения пробирки и изменение высоты уровня воды h2 - h1 в пробирке при опускании вещества в воду:

Плотность вещества ρX равна

ρX = mX/VX = mВ/VX = ρВVВ/VX=ρВSh1/(S(h2-h1)),

ρX = ρВh1/(h2-h1).

h1 =3. 3 см h2= 3,8 см

ρX = 1000кг/м3

ρX =1000кг/м3 3,3 см/(3,8 см-3,3 см) = 3,3 см

1000 кг/м3 / 0,5 см = 6,6 см 1000 кг /м3 = 6600 кг/м3

Сравнивая с табличными данными наш результат, можно предположить, что неизвестное вещество - цинк.

Определение плотности жидкостей разной концентрации

Цель: Определить плотности растворов соли, сахара и медного купороса разной концентрации. На основе полученных данных составить таблицы. Оборудование: Весы с разновесами, пробирка (250 мл), алюминиевый стаканчик.

Вещества: Сахар, соль, медный купорос. Ход работы: а) Соляной раствор

Для того чтобы получить раствор с разной концентрацией, нужно добавлять по одной чайной ложке (5,6г) соли в воду. После каждой ложки нужно измерить вес и объем получившегося раствора, учитывая, что m стакана= 44,75г.

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.