Determinarea unei substanțe prin densitate. Cum se măsoară densitatea unui material? Densitatea diferitelor materiale. Metode de cercetare fizică

Densitate- o mărime fizică care caracterizează proprietățile fizice ale unei substanțe, care este egală cu raportul dintre masa unui corp și volumul ocupat de acest corp.

Densitatea (densitatea unui corp omogen sau densitatea medie a unui corp eterogen) poate fi calculată folosind formula:

[ρ] = kg/m³; [m] = kg; [V] = m³.

Unde m- greutatea corporală, V- volumul acestuia; formula este pur și simplu o notație matematică pentru definiția termenului „densitate”.

Toate substanțele constau din molecule, prin urmare masa oricărui corp este formată din masele moleculelor sale. Acest lucru este similar cu modul în care masa unei pungi de bomboane este suma maselor tuturor bomboanelor din pungă. Dacă toate bomboanele sunt la fel, atunci masa unei pungi de bomboane ar putea fi determinată prin înmulțirea masei unei bomboane cu numărul de bomboane din pungă.

Moleculele unei substanțe pure sunt identice. Prin urmare, masa unei picături de apă este egală cu produsul dintre masa unei molecule de apă și numărul de molecule din picătură.

Densitatea unei substanțe arată care este masa de 1 m³ a acestei substanțe.

Densitatea apei este de 1000 kg/m³, ceea ce înseamnă că masa a 1 m³ de apă este de 1000 kg. Acest număr poate fi obținut prin înmulțirea masei unei molecule de apă cu numărul de molecule conținute în 1 m³ din volumul acesteia.
Densitatea gheții este de 900 kg/m³, ceea ce înseamnă că masa a 1 m³ de gheață este de 900 kg.
Uneori se folosește unitatea de densitate g/cm³, așa că putem spune și asta masa a 1 cm³ de gheață este de 0,9 g.

Fiecare substanță ocupă un anumit volum. Și se poate dovedi că volumele celor două corpuri sunt egale, iar masele lor sunt diferite. În acest caz, ei spun că densitățile acestor substanțe sunt diferite.

Asemenea când masele a două corpuri sunt egale volumele lor vor fi diferite. De exemplu, volumul de gheață este de aproape 9 ori mai mare decât volumul unei bare de fier.

Densitatea unei substanțe depinde de temperatura acesteia.

Pe măsură ce temperatura crește, densitatea scade de obicei. Acest lucru se datorează expansiunii termice, când volumul crește în timp ce masa rămâne neschimbată.

Pe măsură ce temperatura scade, densitatea crește. Deși există substanțe a căror densitate se comportă diferit într-un anumit interval de temperatură. De exemplu, apă, bronz, fontă. Astfel, densitatea apei are o valoare maxima la 4 °C si scade atat cu cresterea cat si cu scaderea temperaturii fata de aceasta valoare.

Când starea de agregare se modifică, densitatea unei substanțe se modifică brusc: densitatea crește în timpul trecerii de la starea gazoasă la starea lichidă și când lichidul se solidifică. Apa, siliciul, bismutul și unele alte substanțe sunt excepții de la această regulă, deoarece densitatea lor scade atunci când se solidifică.

Rezolvarea problemelor

Sarcina nr. 1.
O placă metalică dreptunghiulară de 5 cm lungime, 3 cm lățime și 5 mm grosime are o masă de 85 g Din ce material poate fi făcută?

Analiza unei probleme fizice. Pentru a răspunde la întrebarea pusă, este necesar să se determine densitatea substanței din care este făcută placa. Apoi, folosind tabelul de densitate, determinați căreia îi corespunde valoarea densității găsite. Această problemă poate fi rezolvată în aceste unități (adică fără conversie în SI).

Sarcina nr. 2.
O bilă de cupru cu un volum de 200 cm 3 are o masă de 1,6 kg. Stabiliți dacă această minge este solidă sau goală. Dacă mingea este goală, atunci determinați volumul cavității.

Analiza unei probleme fizice. Dacă volumul de cupru este mai mic decât volumul sferei V de cupru

Sarcina nr. 3.
Un recipient care conține 20 kg de apă este umplut cu benzină. Determinați masa benzinei din recipient.

Analiza unei probleme fizice. Pentru a determina masa benzinei dintr-un recipient, trebuie să găsim densitatea benzinei și capacitatea recipientului, care este egală cu volumul de apă. Volumul apei este determinat de masa și densitatea acesteia. Găsim în tabel densitatea apei și a benzinei. Este mai bine să rezolvați problema în unități SI.

Sarcina nr. 4.
S-a realizat un aliaj din 800 cm 3 de cositor și 100 cm 3 de plumb. Care este densitatea lui? Care este raportul de masă dintre staniu și plumb din aliaj?

Oamenii dau peste cuvântul „masă” foarte des în viața de zi cu zi. Este scris pe ambalajul produsului, iar toate obiectele din jurul nostru au și masa lor unică.

Definiția 1

Masa este de obicei înțeleasă ca o mărime fizică care arată cantitatea de substanță conținută într-un corp.

Din cursul de fizică știm că toate substanțele constau din elemente constitutive: atomi și molecule. În diferite substanțe, masele atomilor și moleculelor nu sunt aceleași, astfel încât masa unui corp depinde de caracteristicile particulelor ultra-mici. Există o relație în baza căreia este clar că un aranjament mai dens al atomilor într-un corp crește masa totală și invers.

În prezent, există diferite proprietăți ale materiei care pot fi utilizate pentru a caracteriza masa:

• capacitatea corpului de a rezista atunci când viteza acestuia se schimbă;
• capacitatea corpului de a fi atras de un alt obiect;
• compoziția cantitativă a particulelor dintr-un anumit corp;
• cantitatea de muncă efectuată de organism.

Valoarea numerică a greutății corporale rămâne la același nivel în toate cazurile. La rezolvarea problemelor, valoarea numerică a masei corporale poate fi luată la fel, deoarece nu există nicio dependență de ce proprietate a materiei reflectă masa.

Inerţie

Există două tipuri de mase:

• masa inertă;
• masa gravitațională.

Rezistența unui corp la încercările de a-și schimba viteza se numește inerție. Nu toate corpurile își pot schimba viteza inițială cu aceeași forță, deoarece au o masă inerțială diferită. Unele corpuri, sub aceeași influență a altor corpuri care o înconjoară, sunt capabile să-și schimbe rapid viteza, în timp ce altele, în condiții identice, nu pot, adică își schimbă viteza vizibil mai lent decât primele corpuri.

Inerția se modifică în funcție de caracteristicile masei corporale. Un corp care își schimbă viteza mai încet are o masă mare. O măsură a inerției unui corp este masa inerțială a obiectului. Când două corpuri interacționează între ele, viteza ambelor obiecte se schimbă. În acest caz, se obișnuiește să se spună că corpurile capătă accelerație.

$\frac(a_1)(a_2) = \frac(m_2)(m_1)$

Raportul modulelor de accelerație ale corpurilor care interacționează între ele este egal cu raportul invers al maselor lor.

Nota 1

Masa gravitațională este o măsură a interacțiunii gravitaționale a corpurilor. Masa inerțială și gravitațională sunt proporționale una cu cealaltă. Egalitatea maselor gravitaționale și inerțiale se realizează prin alegerea unui coeficient de proporționalitate. Trebuie să fie egal cu unu.

Masa se măsoară în unități SI în kilograme (kg).

Proprietățile masei

Masa are câteva proprietăți fundamentale:

• este întotdeauna pozitiv;
• masa unui sistem de corpuri este egală cu suma maselor corpurilor care sunt incluse în acest sistem;
• masa în mecanica clasică nu depinde de viteza de mișcare a corpului și de natura acestuia;
• masa unui sistem închis este conservată în cazul diferitelor interacțiuni ale corpurilor între ele.

Pentru a măsura valoarea masei, la nivel internațional a fost adoptat un standard de masă. Se numește kilogram. Standardul este depozitat în Franța și este un cilindru metalic, a cărui înălțime și diametru este de 39 de milimetri. Standardul este o valoare care reflectă capacitatea unui corp de a fi atras de un alt corp.

Masa în sistemul SI se notează cu litera latină $m$. Masa este o mărime scalară.

Există mai multe moduri de a determina masa în practică. Cea mai des folosită metodă este cântărirea corpului pe o cântar. Așa se măsoară masa gravitațională. Există diferite tipuri de cântare:

• electronic:
• pârghie;
• primăvară.

Măsurarea greutății corporale prin cântărire pe o cântar este cea mai veche metodă. A fost folosit de locuitorii Egiptului Antic acum 4 mii de ani. În zilele noastre, modelele la scară au diferite forme și dimensiuni. Ele vă permit să determinați greutatea corpului formelor ultra-mici, precum și încărcăturii de mai multe tone. Astfel de cântare sunt de obicei utilizate în întreprinderile de transport sau industriale.

Conceptul de densitate a materiei

Definiția 2

Densitatea este o mărime fizică scalară care este determinată de masa unei unități de volum a unei anumite substanțe.

$\rho = \frac(m)(V)$

Densitatea unei substanțe ($\rho$) este raportul dintre masa unui corp $m$ sau substanță și volumul $V$ pe care îl ocupă acest corp sau substanță.

Unitatea SI a densității corpului este kg/m $^(3)$.

Nota 2

Densitatea unei substanțe depinde de masa atomilor care alcătuiesc substanța, precum și de densitatea de împachetare a moleculelor din substanță.

Densitatea unui corp crește sub influența unui număr mare de atomi. Diferite stări de agregare ale unei substanțe modifică semnificativ densitatea unei anumite substanțe.

Solidele au un grad ridicat de densitate deoarece în această stare atomii sunt foarte strâns. Dacă considerăm aceeași substanță în stare lichidă de agregare, atunci densitatea ei va scădea, dar va rămâne la un nivel aproximativ comparabil. În gaze, moleculele unei substanțe sunt cât mai îndepărtate una de cealaltă, astfel încât împachetarea atomilor la acest nivel de agregare este foarte scăzută. Substanțele vor avea cea mai mică densitate.

În prezent, cercetătorii alcătuiesc tabele speciale ale densităților diferitelor substanțe. Metalele cu cea mai mare densitate sunt osmiul, iridiul, platina și aurul. Toate aceste materiale sunt renumite pentru rezistența lor impecabilă. Valori medii ale densității pentru aluminiu, sticlă, beton - aceste materiale au caracteristici tehnice speciale și sunt adesea folosite în construcții. Pinul uscat și pluta au cele mai mici valori de densitate, astfel încât nu se scufundă în apă. Apa are o densitate de 1000 de kilograme pe metru cub.

Oamenii de știință au putut folosi noi metode de calcul pentru a determina densitatea medie a materiei din Univers. Rezultatele experimentelor au arătat că, practic, spațiul cosmic este rarefiat, adică practic nu există densitate - aproximativ șase atomi pe metru cub. Aceasta înseamnă că și valorile masei la această densitate vor fi unice.

Corpurile din jurul nostru sunt formate din diverse substanțe: fier, lemn, cauciuc etc. Masa oricărui corp depinde nu numai de mărimea sa, ci și de substanța din care constă. Corpurile de același volum, formate din substanțe diferite, au mase diferite. De exemplu, după ce am cântărit doi cilindri din substanțe diferite - aluminiu și plumb, vom vedea că masa cilindrului de aluminiu este mai mică decât masa cilindrului de plumb.

În același timp, corpurile cu aceleași mase, formate din substanțe diferite, au volume diferite. Astfel, o bară de fier care cântărește 1 tonă ocupă un volum de 0,13 m3, iar gheața cu o greutate de 1 tonă ocupă un volum de 1,1 m3. Volumul gheții este de aproape 9 ori mai mare decât volumul unei bare de fier. Adică diferite substanțe pot avea densități diferite.

Rezultă că corpurile cu același volum, formate din substanțe diferite, au mase diferite.

Densitatea arată masa unei substanțe luate într-un anumit volum. Adică, dacă se cunosc masa unui corp și volumul acestuia, se poate determina densitatea. Pentru a afla densitatea unei substanțe, trebuie să împărțiți masa corpului la volumul său.

Densitatea aceleiași substanțe în stare solidă, lichidă și gazoasă este diferită.

Densitățile unor solide, lichide și gaze sunt date în tabele.

Densitățile unor solide (la presiunea atmosferică normală, t = 20 ° C).

Densitățile unor lichide (la presiunea atmosferică normală t = 20 ° C).

Totul în jurul nostru este format din diferite substanțe. Navele și băile sunt construite din lemn, fiarele și pătuțurile din fier, cauciucurile pe roți și radierele pe creioane sunt din cauciuc. Și diferite obiecte au greutăți diferite - oricare dintre noi poate căra cu ușurință un pepene galben copt de pe piață, dar va trebui să transpirăm peste o greutate de aceeași dimensiune.

Toată lumea își amintește de celebra glumă: „Care este mai greu? Un kilogram de unghii sau un kilogram de puf? Nu ne vom mai îndrăgi de acest truc copilăresc, știm că greutatea ambelor va fi aceeași, dar volumul va fi semnificativ diferit. Deci de ce se întâmplă asta? De ce corpuri și substanțe diferite au greutăți diferite cu aceeași dimensiune? Sau invers, aceeași greutate cu dimensiuni diferite? Evident, există o caracteristică care face substanțele atât de diferite unele de altele. În fizică, această caracteristică se numește densitatea materiei și este predată în clasa a șaptea.

Densitatea unei substanțe: definiție și formulă

Definiția densității unei substanțe este următoarea: densitatea arată care este masa unei substanțe într-o unitate de volum, de exemplu, într-un metru cub. Deci, densitatea apei este de 1000 kg/m3, iar gheața este de 900 kg/m3, motiv pentru care gheața este mai ușoară și se află deasupra rezervoarelor iarna. Adică ce ne arată densitatea materiei în acest caz? O densitate a gheții de 900 kg/m3 înseamnă că un cub de gheață cu laturile de 1 metru cântărește 900 kg. Iar formula pentru determinarea densității unei substanțe este următoarea: densitate = masa/volum. Cantitățile incluse în această expresie sunt desemnate după cum urmează: masa - m, volumul corpului - V, iar densitatea este desemnată prin litera ρ (litera greacă „rho”). Și formula poate fi scrisă după cum urmează:

Cum se află densitatea unei substanțe

Cum se găsește sau se calculează densitatea unei substanțe? Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți volumul și greutatea corporală. Adică, măsurăm substanța, o cântărim și apoi pur și simplu substituim datele obținute în formulă și găsim valoarea de care avem nevoie. Și modul în care se măsoară densitatea unei substanțe este clar din formulă. Se măsoară în kilograme pe metru cub. Uneori folosesc și o valoare precum gramele pe centimetru cub. Convertirea unei valori în alta este foarte simplă. 1 g = 0,001 kg și 1 cm3 = 0,000001 m3. În consecință, 1 g/(cm)^3 =1000kg/m^3. De asemenea, trebuie amintit că densitatea unei substanțe este diferită în diferite stări de agregare. Adică sub formă solidă, lichidă sau gazoasă. Densitatea solidelor este cel mai adesea mai mare decât densitatea lichidelor și mult mai mare decât densitatea gazelor. Poate că o excepție foarte utilă pentru noi este apa, care, așa cum am considerat deja, cântărește mai puțin în stare solidă decât în ​​stare lichidă. Din cauza acestei caracteristici ciudate a apei este posibilă viața pe Pământ. Viața de pe planeta noastră, după cum știm, provine din oceane. Și dacă apa s-ar comporta ca toate celelalte substanțe, atunci apa din mări și oceane ar îngheța, gheața, fiind mai grea decât apa, s-ar scufunda în fund și s-ar afla acolo fără să se topească. Și numai la ecuator, într-o mică coloană de apă, viața ar exista sub forma mai multor specii de bacterii. Așa că putem să-i mulțumim apei pentru existența noastră.

Figura 1. Tabelul densităţilor unor substanţe. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Toate corpurile din lumea din jurul nostru au dimensiuni și volume diferite. Dar chiar și cu aceleași date volumetrice, masa substanțelor va diferi semnificativ. În fizică, acest fenomen se numește densitatea materiei.

Densitatea este un concept fizic de bază care oferă o idee despre caracteristicile oricărei substanțe cunoscute.

Definiția 1

Densitatea unei substanțe este o mărime fizică care arată masa unei anumite substanțe pe unitatea de volum.

Unitățile de volum în ceea ce privește densitatea unei substanțe sunt de obicei metrul cub sau centimetrul cub. Determinarea densității unei substanțe se realizează folosind echipamente și dispozitive speciale.

Pentru a determina densitatea unei substanțe, este necesar să se împartă masa corpului său la propriul volum. Atunci când se calculează densitatea unei substanțe, se folosesc următoarele valori:

greutatea corporală ($m$); volumul corpului ($V$); densitatea corpului ($ρ$)

Nota 1

$ρ$ este o literă din alfabetul grecesc „rho” și nu trebuie confundată cu o denumire similară pentru presiune - $p$ („peh”).

Formula densității substanței

Densitatea unei substanțe este calculată folosind sistemul de măsurare SI. În el, unitățile de densitate sunt exprimate în kilograme pe metru cub sau grame pe centimetru cub. De asemenea, puteți utiliza orice sistem de măsurare.

O substanță are grade diferite de densitate dacă se află în stări diferite de agregare. Cu alte cuvinte, densitatea unei substanțe în stare solidă va fi diferită de densitatea aceleiași substanțe în stare lichidă sau gazoasă. De exemplu, apa are o densitate în starea sa lichidă normală de 1000 de kilograme pe metru cub. În stare înghețată, apa (gheața) va avea deja o densitate de 900 de kilograme pe metru cub. Vaporii de apă la presiunea atmosferică normală și o temperatură apropiată de zero grade vor avea o densitate de 590 de kilograme pe metru cub.

Formula standard pentru densitatea unei substanțe este următoarea:

În plus față de formula standard, care este utilizată numai pentru solide, există o formulă pentru gaz în condiții normale:

$ρ = M / Vm$, unde:

• $M$ este masa molară a gazului,
• $Vm$ este volumul molar al gazului.

Există două tipuri de solide:

• poros;
• vrac.

Nota 2

Caracteristicile lor fizice afectează direct densitatea substanței.

Densitatea corpurilor omogene

Definiția 2

Densitatea corpurilor omogene este raportul dintre masa unui corp și volumul său.

Conceptul de densitate a unei substanțe include definiția densității unui corp omogen și uniform distribuit cu o structură eterogenă, care constă din această substanță. Aceasta este o valoare constantă și pentru o mai bună înțelegere a informațiilor se formează tabele speciale în care sunt colectate toate substanțele comune. Valorile pentru fiecare substanță sunt împărțite în trei componente:

• densitatea unui corp în stare solidă;
• densitatea unui corp în stare lichidă;
• densitatea unui corp în stare gazoasă.

Apa este o substanță destul de omogenă. Unele substanțe nu sunt atât de omogene, astfel încât densitatea medie a corpului este determinată pentru ele. Pentru a obține această valoare, este necesar să cunoaștem rezultatul ρ al substanței pentru fiecare componentă separat. Corpurile libere și poroase au o densitate adevărată. Se determină fără a ține cont de golurile din structura sa. Greutatea specifică poate fi calculată împărțind masa unei substanțe la întregul volum pe care îl ocupă.

Valori similare sunt legate între ele prin coeficientul de porozitate. Reprezintă raportul dintre volumul golurilor și volumul total al corpului care este examinat în prezent.

Densitatea substanțelor depinde de mulți factori suplimentari. Un număr dintre ele măresc simultan această valoare pentru unele substanțe și o scad pentru altele. La temperaturi scăzute, densitatea substanței crește. Unele substanțe sunt capabile să reacționeze la schimbările de temperatură în moduri diferite. În acest caz, se obișnuiește să se spună că densitatea se comportă anormal la un anumit interval de temperatură. Astfel de substanțe includ adesea bronzul, apa, fonta și alte alte aliaje. Densitatea apei este cea mai mare la 4 grade Celsius. Odată cu încălzirea sau răcirea suplimentară, acest indicator se poate schimba semnificativ.

Metamorfozele cu densitatea apei au loc în timpul trecerii de la o stare de agregare la alta. Indicatorul ρ își modifică valorile în aceste cazuri într-o manieră bruscă. Crește progresiv în timpul trecerii la un lichid din starea gazoasă, precum și în momentul cristalizării lichidului.

Sunt multe cazuri excepționale. De exemplu, siliciul are valori scăzute de densitate atunci când este solidificat.

Măsurarea densității materiei

Pentru a măsura eficient densitatea unei substanțe, se utilizează de obicei echipamente speciale. Se compune din:

• cântare;
• instrument de măsurare sub formă de riglă;
• balon cotat.

Dacă substanța studiată este în stare solidă, atunci este utilizată o măsură sub formă de centimetru ca dispozitiv de măsurare. Dacă substanța studiată se află într-o stare de agregat lichid, atunci se folosește un balon cotat pentru măsurători.

În primul rând, trebuie să vă măsurați volumul corpului folosind un centimetru sau un balon de măsurare. Cercetătorul observă scara de măsurare și înregistrează rezultatul rezultat. Dacă se examinează o grindă de lemn în formă de cub, atunci densitatea va fi egală cu valoarea laturii ridicate la a treia putere. Când se studiază un lichid, este necesar să se țină cont suplimentar de masa vasului cu care sunt efectuate măsurătorile. Valorile obținute trebuie înlocuite în formula universală pentru densitatea substanței și indicatorul calculat.

Pentru gaze, calcularea indicatorului este foarte dificilă, deoarece este necesară utilizarea diferitelor instrumente de măsurare.

De obicei, un hidrometru este utilizat pentru a calcula densitatea substanțelor. Este conceput pentru a obține rezultate din lichide. Densitatea adevărată este studiată cu ajutorul unui picnometru. Solurile sunt examinate cu burghiile Kaczynski si Seidelman.