Рассмотрим в статье, как найти плотность, и что это такое. При проектировании многих конструкций и транспортных средств учитывается ряд физических характеристик, которыми должен обладать конкретный материал. Одной из них является плотность.
Масса и объем
Расшифруем значение двух физических величин, которые к ней имеют непосредственное отношение — это масса и объем. Прежде, чем мы ответим на вопрос, как найти плотность.
Массой называется такая характеристика, которая описывает инерционные свойства тел и их способность проявлять гравитационное притяжение друг к другу. Масса измеряется в килограммах в системе СИ.
Вам будет интересно:Общая характеристика неметаллов главных подгрупп
Понятия инерционной и гравитационной масс были впервые введены в физику Исааком Ньютоном при формулировке законов механики и Всемирного тяготения.
Объем — это исключительно геометрическая характеристика тела, которая отражает количественно часть занимаемого им пространства. Измеряется объем в кубических единицах длины, например, в СИ это метры в кубе.
Для тел известной формы (параллелепипед, шар, пирамида) эту величину можно определить по специальным формулам, для объектов же неправильной геометрической формы объем определяют с помощью погружения их в жидкость.
Физическая величина плотность
Теперь можно переходить непосредственно к ответу на вопрос, как найти плотность. Эта характеристика определяется отношением массы тела к объему, который оно занимает, что математически записывается так:
ρ = m/V.
Это равенство показывает единицы измерения величины ρ (кг/м3). Таким образом, плотность масса и объем связаны единым равенством, причем величина ρ для любого материала показывает объемную концентрацию его массы.
Приведем простой пример: если взять в руку пластмассовый и железный шарики одинакового размера, то второй будет иметь гораздо больший вес, чем первый. Этот факт связан с большой плотностью железа по сравнению с таковой для пластмассы.
Одним из основных проявлений соотношения плотностей в природе будет плавучесть тел. Если тело имеет меньшую плотность, чем жидкость, то оно в ней никогда не утонет.
Плотность материалов
Когда речь ведут о плотности определенных материалов, то имеют в виду твердые вещества. Газы и жидкости тоже имеют определенную плотность, но здесь мы о них говорить не будем.
Твердые материалы могут иметь кристаллическое или аморфное строение. Величина ρ зависит от строения, межатомных расстояний и атомных и молекулярных масс материалов. Например, все металлы — это кристаллы, а стекло или дерево имеют аморфное строение. Ниже приведем таблицу плотности разных сортов дерева.
Обращаем внимание, что в данном случае приводится средняя плотность. В реальных условиях каждое дерево обладает уникальными особенностями, включая пустоты, поры и наличие некоторого процента влаги в древесине.
Ниже приведена еще одна таблица. В ней в г/см3 даны плотности всех чистых химических элементов, которые находятся при комнатной температуре.
Видно из таблицы, что все элементы имеют плотность больше, чем у воды. Исключение составляют всего три металла — литий, калий и натрий, которые не тонут, а плавают на поверхности воды.
Как измеряют плотность экспериментально?
По сути, существуют две техники определения изучаемой характеристики. Первая заключается в непосредственном взвешивании тела и измерении его линейных размеров.
Если же геометрическая форма тела сложная, тогда используют так называемый гидростатический метод.
Его суть заключается в следующем: сначала взвешивают тело на воздухе. Предположим, что полученный вес составил P1. После этого тело взвешивают в жидкости с известной плотностью ρl. Пусть вес тела в жидкости равен P2. Тогда значение плотности ρ исследуемого материала составит:
ρ = ρl*P1/(P1-P2).
Эту формулу может получить каждый школьник самостоятельно, если рассмотрит закон Архимеда для описанного случая.
Исторически считается, что впервые гидростатическое взвешивание использовал греческий философ Архимед для определения подделки золотой короны. Первые же гидростатические весы были изобретены Галилео Галилеем в конце XVI века. В настоящее время для экспериментального определения величины ρ жидкостей, твердых тел и газов широко используются электронные пикнометры и плотномеры.
Теоретическое определение плотности
Выше был рассмотрен вопрос, как найти плотность экспериментально. Тем не менее, эту найти ρ неизвестного материала можно теоретическим путем. Для этого необходимо знать тип кристаллической решетки, параметры этой решетки, а также массу образующих ее атомов. Поскольку любая элементарная кристаллическая решетка имеет определенную геометрическую форму, то несложно найти формулу для определения ее объема.
Если кристаллический материал состоит из нескольких химических элементов, например, металлические сплавы, то его среднюю плотность можно определить по следующей простой формуле:
ρ = ∑mi/∑(mi/ρi).
Где mi, ρi — масса и плотность i-го компонента, соответственно.
Если материал имеет аморфную структуру, то теоретически определить точно его плотность не получится, и необходимо использовать экспериментальные техники.
III Ашинский районный конкурс реферативно-исследовательских работ
для учащихся 5-8 классов
Определение плотности твердых тел
разными методами
(Естествознание)
Авторы: Фокин Дмитрий, Зарипов Юлиан
7 «А» класс МКОУ СОШ №1 г. Миньяра Руководитель: Лактионова Надежда
Сергеевна, учитель физики
первой категории
Аша — 2013
Содержание
1. Введение…………………………………………………………………………..3
2. Основная часть
2.1. Аппаратура и метод измерений…………………………………………………4-6
2.2. Определение плотности твердых тел.………………………………6-7
2.2.1. Метод Менделеева…………………………………………………7-8
2.2.2. Метод Архимеда…………………………………………………8-10
2.2.3. Метод безразличного плавания………………………………..10-12 3. Заключение…………………………………….…………………………….12
4. Список литературы…………………………………………………………13
5. Приложение……………………………………………………………….14-18
1. Введение
Что значит измерить физическую величину правильно? На этот вопрос ответить непросто. Обычно смешивают два понятия: правильно и точно. «Часто стараются произвести измерения с наибольшей достижимой точностью, т.е. сделать ошибку измерений по возможности малой. Однако следует иметь в виду, что чем точнее мы хотим измерить, тем труднее это сделать. Поэтому не следует требовать от измерений большей точности, чем это необходимо для решения поставленной задачи.
Я ставлю перед собой задачу определить плотности твердых тел различными методами, сравнить полученные результаты с табличными и убедиться в том, что проводимый нами эксперимент дает небольшую ошибку. Для чего нужно знать плотность вещества? Плотность вещества нужно знать для различных практических целей. Инженер, создавая машину, заранее по плотности и объему материала может рассчитать массу деталей будущей машины. Строитель может определить, какова будет масса строящегося здания. Так, если океанологам известно вертикальное распределение плотности морской воды, то они могут рассчитать направление и скорость течений. Вертикальное распределение плотности необходимо знать и для определения устойчивости водной массы: если масса неустойчива, то есть если более плотная вода лежит выше менее плотной, будет происходить перемешивание. Даже в домашних условиях при покупке ковролина следует обратить внимание на плотность ворса. Ковролин высокой плотности прослужит дольше, и на нем не будут оставаться вмятины от мебельных ножек.
Цель работы: ознакомится с методами измерения физических величин проводимых измерений на примере определения плотности твердых тел.
2. Основная часть
2.1. Аппаратура и метод измерений
Для оценки плотности твердого тела необходимо знать его объем и массу. Массу тела можно определить взвешиванием его на рычажных весах. Объем тела правильной геометрической формы определяют, измеряя его линейные параметры. Таким образом, чтобы узнать плотность тела, необходимо провести ряд физических измерений. Под измерением понимается сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения.
Измерения делятся на прямые и косвенные. При прямых измерениях определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно с помощью измерительного прибора, проградуированного в соответствующих единицах. Примерами прямых измерений могут служить измерения длин линейкой, промежутков времени секундомером. При косвенных измерениях искомое значение величины не измеряется непосредственно, а находится по известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными при прямых измерениях. К косвенным относятся, например, измерения объема, плотности твердых тел, измерение скорости движения тела по измерениям отрезков пути и промежутков времени, измерение удельного сопротивления проволоки. Никакая физическая величина не может быть, однако, определена с абсолютной точностью. Другими словами, любое измерение всегда производится с некоторой ошибкой — погрешностью. Поэтому полученное в
результате измерений значение какой-либо величины должно быть записано в виде x ± Δx, (1)
где Δx — абсолютная погрешность измерения, характеризующая возможное отклонение измеренного значения данной величины от его истинного значения. При этом, поскольку истинное значение остается неизвестным, можно дать лишь приближенную оценку абсолютной погрешности. Поскольку причины возникновения ошибок бывают самыми разными, необходимо классифицировать погрешности. Только тогда возможна их правильная оценка, так как от типа погрешностей зависит и способ их вычисления.
Погрешности подразделяются на случайные и систематические. Систематической погрешностью называют составляющую погрешности измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же величины. Она может быть связана с неисправностями измерительных приборов, неточностью их регулировки, неправильной их установкой. Систематические погрешности в принципе могут быть исключены, поскольку причины, их вызывающие, в большинстве случаев известны.
Случайной погрешностью называют составляющую погрешности измерения, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности зависят от условий, в которых производятся измерения, от специфики измеряемых объектов. Эти погрешности принципиально неустранимы, однако их величина уменьшается при использовании многократных измерений. Выделяют также погрешности приборов, которые могут иметь как систематический, так и случайный характер. Эти погрешности связаны с несовершенством любого (исправного) измерительного инструмента. Если значение измеряемой величины определяется по шкале инструмента, абсолютная погрешность прибора считается, как правило, равной половине цены деления шкалы (например, линейки) или цене деления шкалы, если стрелка прибора перемещается скачком (секундомер).
Как уже указывалось, случайные погрешности можно уменьшить, многократно измеряя одну и ту же величину. Однако максимально возможная точность измерения определяется теми приборами, которые используются в эксперименте. Поэтому увеличение числа измерений имеет смысл лишь до тех пор, пока случайная погрешность не станет явно меньше погрешности прибора. Для правильной записи конечного результата необходимо округлить рассчитанное значение абсолютной погрешности и сам результат измерения. Как правило, точность оценки погрешности бывает очень небольшой.
Поэтому абсолютная погрешность округляется до одной значащей цифры.
Если, однако, эта цифра оказалась единицей, следует оставить две значащие цифры. Округление конечного результата производится с учетом его погрешности. При этом последняя значащая цифра результата должна быть того же порядка величины (находится в той же десятичной позиции), что и погрешность. Если, к примеру, получено, что ρ = 8723,23 кг/м3, а
Δρ = 93,27 кг/м3,
то правильная запись результата будет выглядеть так
ρ = (8720 ± 90) кг/м3.
2.2.Определение плотности твердых тел
Тела, изготовленные из различных веществ, при одинаковой массе имеют разные объемы. Железный брус массой 1 т имеет объем 0,13 м3, а лед массой 1 т – объем 1,1 м3, т.е. почти в 9 раз больше.
Из этих примеров можно сделать и такой вывод, что тела объемом 1 м3 каждое, изготовленные из различных веществ, имеют разные массы. Железо объемом 1 м3 имеет массу 7800 кг, а лед того же объема – 900 кг, т.е. почти в 9 раз меньше. Это различие объясняется тем, что различные вещества имеют разную плотность. Плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в объеме 1 м3.
Плотность – физическая величина, характеризующая свойство тел равного объема иметь разную массу.
Чтобы определить плотность вещества, надо массу тела разделить на его объем. Следовательно, плотность есть физическая величина, равная отношению массы тела к его объему.
Единицей плотности вещества является 
. Это плотность однородного вещества, масса которого равна 1 кг при объеме 1 м3.
2.2.1. Метод Менделеева
Метод Менделеева (метод взвешивания). На одну чашку весов кладется гиря с массой заведомо большей, чем масса тела, а на другую — разновесы, добиваясь равновесия весов. Затем на чашку с разновесами помещают взвешиваемое тело, а разновесы снимают до тех пор, пока вновь не установится равновесие. Масса снятых гирь будет равна массе тела. Этот метод позволяет исключить систематические погрешности, связанные с неравноплечностью весов и зависимостью их чувствительности от величины нагрузки.
Порядок выполнения работы:
1. С помощью линейки определить размеры исследуемого тела, необходимые для вычисления его объема. Каждый параметр измерить не менее пяти раз.
2. С помощью весов и разновесов определить массу тела. Взвешивание производить не менее пяти раз.
3. Все экспериментальные результаты занести в таблицу.
Обработка результатов измерений
1. По полученным экспериментальным данным находят средние значения линейных размеров и массы тела.
2. Используя средние значения замеренных параметров, вычисляют
плотность изучаемого тела.
3. Определяют абсолютную погрешность Δρ. Записывают окончательный результат измерения плотности тела, используя правила округления погрешностей и самой измеряемой величины.
Таблица №1. Первый образец
|
Первый образец |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Среднее значение |
|
Длина (м) |
0,049 |
0,0492 |
0,049 |
0,0492 |
0,049 |
0,04908 |
|
Ширина (м) |
0,036 |
0,036 |
0,0362 |
0,0362 |
0,036 |
0,03608 |
|
Высота (м) |
0,012 |
0,0122 |
0,012 |
0,0122 |
0,012 |
0,01208 |
|
Масса (кг) |
0,0112220 |
0,0112226 |
0,0112220 |
0,0112224 |
0,0112220 |
0,0112222 |
|
Плотность (кг/м3) |
530,14 |
519,56 |
527,38 |
525,15 |
530,09 |
526,464 |
Таблица №2. Второй образец
|
Второй образец |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Среднее значение |
|
Длина (м) |
0,067 |
0,067 |
0,0675 |
0,067 |
0,0675 |
0,0672 |
|
Ширина (м) |
0,047 |
0,0475 |
0,047 |
0,0475 |
0,047 |
0,0472 |
|
Высота (м) |
0,010 |
0,0105 |
0,010 |
0,010 |
0,0105 |
0,0102 |
|
Масса (кг) |
0,0203 |
0,0203 |
0,02035 |
0,02035 |
0,0203 |
0,02032 |
|
Плотность (кг/м3) |
644,65 |
607,78 |
641,35 |
639,33 |
615,15 |
629,64 |
Таблица №3. Третий образец
|
Третий образец |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Среднее значение |
|
Длина (м) |
0,056 |
0,0562 |
0,056 |
0,056 |
0,056 |
0,05604 |
|
Ширина (м) |
0,043 |
0,043 |
0,0432 |
0,043 |
0,043 |
0,04304 |
|
Высота (м) |
0,010 |
0,010 |
0,010 |
0,0102 |
0,010 |
0,0102 |
|
Масса (кг) |
0,017 |
0,017 |
0,0175 |
0,017 |
0,017 |
0,0171 |
|
Плотность (кг/м3) |
705,98 |
703,35 |
724,04 |
703,35 |
705,98 |
708,54 |
2.2.2.Метод Архимеда
Метод Архимеда, опустив тело в воду, по объему вытесненной воды определяем объем тела, взвешиванием на весах, находим массу и по формуле вычисляем плотность.
Цель: научиться экспериментально определять плотность твердого тела.
Оборудование: весы ученические, цилиндр железный, цилиндр алюминиевый, шарик, сырое яйцо, вода, измерительный цилиндр, отливной сосуд.
Выполнение работы
Железный цилиндр
m =151г =0,151кг; V1 =75мл; V2 =95мл.V= 20мл. =0,00002м3
Ц.Д.= (80-70):10=1мл измерительного цилиндра.
P=mv=0,351кг,00002м3=7550кгм3. Табличное значение 7800кгм3
Алюминиевый цилиндр
m=51г 590мг=0,051590кг; V1 =75мл; V2 =94мл; V=19мл. =0,000019м3 Ц.Д.= (80-70):10=1мл; P=mv=0, 05159кг, 000019м3=2715,3кгм3
Табличное значение 2700кгм3
Шарик (оргстекло)
m=9г 240мг=0,009240кг; V1=74мл; V2=82мл; V=8мл=0,000008м3 Ц.Д.=(80-70):10=1мл; P=mv=0, 00924кг,000008м3=1155кгм3.
Табличное значение 1200кгм3
Тело неправильной формы
m=9г 200мг =0,0092кг; V1=74мл; V2=77мл; V=3мл=0,000003м3 Ц.Д.=(80-70):10=1мл; P=mv=0,0092кг,000003=3066,7кгм3.
Яйцо
m=41гр 800мг =0,041800кг; V=38мг =0,000038м3;
P=mv=0,041800кг ,000038м3 =1100кгм3.
Определяю цену деления измерительного цилиндра:
Используя измерительный цилиндр, измеряю объем яйца:
Измеряю массу яйца:
Вычисляю плотность яйца: 
; 
Кусок мыла
Длина – 83мм=0,083м; ширина – 52мм=0,052м; высота – 32мм=0,032м. m=172гр=0,172кг; V=0,0001381 м3; P=0,172кг,0001381м3=1245,47кг м3
Измеряю массу куска мыла:
Измеряю объем куска мыла:
Вычисляю плотность куска мыла:
Выражаю плотность куска мыла в: 
; 
2.2.3.Метод безразличного плавания
«…Если вес тела в точности равен весу вытесненной жидкости, оно будет находиться в равновесии внутри жидкости. Например, куриное яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Можно сделать раствор соли, концентрация которого постепенно уменьшается кверху, так что выталкивающая сила внизу сосуда больше, а вверху – меньше веса яйца. В таком растворе яйцо держится на такой глубине, где его вес равен выталкивающей силе. Если твердое тело однородно, т.е. во всех точках имеет одну и ту же плотность, то тело будет тонуть, всплывать или оставаться в равновесии внутри жидкости в зависимости от того, больше ли плотность тела плотности жидкости, меньше или равна ей. В случае неоднородных тел нужно сравнивать с плотностью жидкости среднюю плотность тела». Значит, можно подобрать такой однородный раствор соли в воде, в котором яйцо плавает на некоторой глубине. Плотность раствора можно измерить с помощью ареометра, поскольку само измерение плотности занимает немного времени, четырех-пяти ареометров на класс достаточно.
Этот метод применяется в лабораторной практике при определении, например, плотности мелких кристаллов в достаточно широких пределах. Для этого смешением нескольких жидкостей разной плотности подбирается такой раствор, в котором кристаллик плавает в толще жидкости. Оборудование: мензурка (250 мл), мерный стакан (400 мл), химический стакан (250 мл), ареометр, насыщенный раствор поваренной соли, стеклянная палочка.
Ход работы:
1. Убедимся, что ареометр предназначен для измерения плотностей, которые больше 1 г/см3. Определим цену деления ареометра.
2. Положим яйцо на дно мерного стакана (400 мл), налить чистой воды до половины.
3. Начать доливать крепкий раствор поваренной соли, слегка помешивая стеклянной палочкой, до тех пор, пока яйцо не начнет отрываться от дна. Убедимся, что яйцо не всплывает на поверхность. Если яйцо всплыло, долить чистой воды, чтобы уменьшить плотность раствора.
4. Перелить раствор в мензурку. Аккуратно опуская ареометр в мензурку, измерить плотность раствора. Записать полученное значение с учетом ошибки измерений. ρ = (1100 ± 0,002) кг/м3.
5. Эскизно изобразить проведение опыта, указать силы, действующие на яйцо, плавающее в мерном стакане.
Ошибка измерений в данном случае определяется ценой деления ареометра (например 0,002 кг/м3) и, следовательно, составляет половину цены деления (т.е. около 0,1%), т.е. сравнима с ошибкой определения массы в первом методе.
Выполнив научно-практическую работу, научились определять плотность тел правильной и неправильной формы разными методами и убедились в том, что исследуемые тела тонут, или плавают внутри жидкости (воде), т.к. плотность веществ, из которого они состоят, больше плотности воды (воды 
).
3. Заключение
Я ставил перед собой задачу определить плотности твердых тел различными методами, сравнить полученные результаты с табличными и убедиться в том, что проводимый мною эксперимент дает ошибку. Со своей поставленной задачей я справился, но понял, что определить плотность тела точно очень сложно. Я буду изучать глубже данные вопросы в старших классах. Поэтому моя задача в старших классах познакомится с расчетом погрешностей и научиться добиваться более точных измерений.
4. Список литературы
- Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. – Л.: Наука, 2010.
- Химическая энциклопедия. – М.: Химическая энциклопедия, 2009.
- Физика./Под ред. А.А.Пинского. – М.: Просвещение, 2010.
- Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т. 1. – М.: АОЗТ «Шрайк», 2007.
- Детлаф А.А. Курс физики. – М., 2007.
- Физические величины. Справочник. – М., 2010.
- Физический практикум под редакцией Ивероновой В.И. – М., 2003.
- Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М., 2004.
5. Приложение
Приложение 1
Плотность первого образца ρ = (526,5 ± 3,5) кг/м3(липа),
табличное значение 530 кг/м3
Первый образец. Липа
Плотность второго образца ρ = (629,5 ± 20,5) кг/м3(береза),
табличное значение650кг/м3
Второй образец. Береза
Плотность третьего образца ρ = (708,5 ± 7,5) кг/м3(дуб),
табличное значение 700кг/м3
Третий образец. Дуб
Приложение 2
Рис. 1. Определение плотности тела по методу безразличного плавания
Приложение 3
Плотности некоторых твердых тел
(при норм. атм. давл., t = 20ºC)
|
Твердое тело |
ρ, кг / м 3 |
ρ, г / cм 3 |
Твердое тело |
ρ, кг / м 3 |
ρ, г / cм 3 |
|
Осмий |
22 600 |
22,6 |
Мрамор |
2700 |
2,7 |
|
Иридий |
22 400 |
22,4 |
Стекло оконное |
2 500 |
2,5 |
|
Платина |
21 500 |
21,5 |
Фарфор |
2 300 |
2,3 |
|
Золото |
19 300 |
19,3 |
Бетон |
2 300 |
2,3 |
|
Свинец |
11 300 |
11,3 |
Кирпич |
1 800 |
1,8 |
|
Серебро |
10 500 |
10,5 |
Сахар-рафинад |
1 600 |
1,6 |
|
Медь |
8 900 |
8,9 |
Оргстекло |
1 200 |
1,2 |
|
Латунь |
8 500 |
8,5 |
Капрон |
1 100 |
1,1 |
|
Сталь, железо |
7 800 |
7,8 |
Полиэтилен |
920 |
0,92 |
|
Олово |
7 300 |
7,3 |
Парафин |
900 |
0,90 |
|
Цинк |
7 100 |
7,1 |
Лёд |
900 |
0,90 |
|
Чугун |
7 000 |
7,0 |
Дуб (сухой) |
700 |
0,70 |
|
Корунд |
4 000 |
4,0 |
Сосна (сухая) |
400 |
0,40 |
|
Алюминий |
2 700 |
2,7 |
Пробка |
240 |
0,24 |
Плотности некоторых жидкостей
(при норм. атм. давл., t = 20ºC)
|
Жидкость |
ρ, кг / м 3 |
ρ, г / cм 3 |
Жидкость |
ρ, кг / м 3 |
ρ, г / cм 3 |
|
Ртуть |
13 600 |
13,60 |
Керосин |
800 |
0,80 |
|
Серная кислота |
1 800 |
1,80 |
Спирт |
800 |
0,80 |
|
Мёд |
1 350 |
1,35 |
Нефть |
800 |
0,80 |
|
Вода морская |
1 030 |
1,03 |
Ацетон |
790 |
0,79 |
|
Молоко цельное |
1 030 |
1,03 |
Эфир |
710 |
0,71 |
|
Вода чистая |
1000 |
1,00 |
Бензин |
710 |
0,71 |
|
Масло подсолнечное |
930 |
0,93 |
Жидкое олово |
6 800 |
6,80 |
|
Масло машинное |
900 |
0,90 |
Жидкий воздух |
860 |
0,86 |
Плотности некоторых газов
(при норм. атм. давл., t = 20ºC)
|
Газ |
ρ, кг / м 3 |
ρ, г / cм 3 |
Газ |
ρ, кг / м 3 |
ρ, г / cм 3 |
|
Хлор |
3,210 |
0,00321 |
Оксид углерода (II) |
1,250 |
0,00125 |
|
Оксид углерода (IV) |
1,980 |
0,00198 |
Природный газ |
0,800 |
0,0008 |
|
Кислород |
1,430 |
0,00143 |
Водяной пар (при |
0,590 |
0,00059 |
|
Воздух (при 0ºC) |
1,290 |
0,00129 |
Гелий |
0,180 |
0,00018 |
|
Азот |
1,250 |
0,00125 |
Водород |
0,090 |
0,00009 |
|
Плотность прочих материалов |
|||||
|
Прочие материалы |
|||||
|
Наименование |
Плотность материала |
||||
|
Древесина, пробка |
480 |
||||
|
Древесина, лиственница |
660 |
||||
|
Древесина, липа |
530 |
||||
|
Древесина, ель |
450 |
||||
|
Древесина, сосна |
520 |
||||
|
Древесина, береза |
650 |
||||
|
Древесина, буд |
690 |
||||
|
Бумага |
700-1200 |
||||
|
Резина |
900-2000 |
||||
|
Кирпич |
1400-2100 |
||||
|
Фарфор |
2300 |
||||
|
Бетон |
2000-2200 |
||||
|
Цемент |
2800-3000 |
||||
|
Дерево сухое, афромозия |
Твердое |
20 |
705 |
||
|
Дерево сухое, бамбук |
Твердое |
20 |
300-400 |
||
|
Дерево сухое, береза |
Твердое |
20 |
650-670 |
||
|
Дерево сухое, вяз |
Твердое |
20 |
600-690 |
||
|
Дерево сухое, дуб |
Твердое |
20 |
700 |
||
|
Дерево сухое, ель |
Твердое |
20 |
450 |
||
|
Дерево сухое, железное дерево (бакаут) |
Твердое |
20 |
1300 |
||
|
Дерево сухое, ива |
Твердое |
20 |
420 |
||
|
Дерево сухое, кипарис |
Твердое |
20 |
510 |
||
|
Дерево сухое, клен |
Твердое |
20 |
755 |
||
|
Дерево сухое, лиственница |
Твердое |
20 |
590 |
||
|
Дерево сухое, орех-пекан, pecan wood |
750 |
||||
|
Дерево сухое, осина |
Твердое |
20 |
420 |
||
|
Дерево сухое, пихта |
Твердое |
20 |
530 |
||
|
Дерево сухое, платан |
Твердое |
20 |
590 |
||
|
Дерево сухое, сосна |
Твердое |
20 |
500 |
||
|
Дерево сухое, сосна (белая) |
Твердое |
20 |
500 |
||
|
Дерево сухое, хлорофора высокая |
Твердое |
20 |
655 |
||
|
Дерево сухое, ясень |
Твердое |
20 |
540-670 |
||
|
Дерево сухое, бук |
Твердое |
20 |
750 |
||
|
Дерево сухое, дуб |
Твердое |
20 |
700-930 |
||
|
Дерево сухое, кедр |
Твердое |
20 |
550 |
||
|
Дерево сухое, красное дерево (махагониевое дерево) |
Твердое |
20 |
500-800 |
||
|
Дерево сухое, пробковое дерево (бальза=бальса) |
Твердое |
20 |
150-250 |
||
|
Дерево сухое, самшит |
Твердое |
20 |
1000 |
||
|
Дерево сухое, тиковое дерево |
Твердое |
20 |
850 |
6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ И
ТВЕРДЫХ
ВЕЩЕСТВ
Абсолютная
плотность — количество
массы вещества, содержащееся
в единице объема. В Международной системе
единиц СИ плотность выражается в
килограммах на метр в кубе
За единицу
плотности принята масса 1 см3
чистой воды
при 4°С, так как при этой температуре
вода имеет наибольшую плотность.
Относительная
плотность — отношение
массы вещества к массе
чистой воды при 4°С, взятой в том же
объеме. Численные значения абсолютной
и относительной плотности совпадают,
но относительная плотность — величина
безразмерная.
Плотность
органических веществ определяют при
20 °С и относят к плотности воды
при
поэтому
плотность органических веществ принято
обозначать которая и является нормируемой
константой.
Экспериментальное
определение плотности часто выполняют
при температуре, отличающейся от 20°С.
Пересчет плотности в диапазоне от 0 °С
до 50 °С на нормируемое значение может
быть выполнен по формуле, предложенной
Д. И. Менделеевым:
где
—
плотность при температуре испытания,
—
ко-
эффициент объемного
расширения (для органических веществ
при
температура,
при которой проводилось
измерение, °С.
Плотность жидких
веществ может быть экспериментально
определена с помощью приборов:
ареометров, гидростатических весов
Вестфаля, пикнометров разного устройства,
а для вязких жидкостей — методом
взвешенных капель. Ареометром определяют
плотность светлых и темных жидкостей,
имеющих вязкость (кинематическую)
Пикнометром
определяют плотность
всех жидких веществ, этот метод наиболее
точен. Метод взвешенных
капель применяют для определения
плотности парафинов, асфальтенов и
высоковязких масел.
80
Определение
плотности жидких веществ ареометром
Применение этого
метода основано на законе Архимеда,
согласно
которому на тело, погруженное в жидкость,
действует сила, направленная
вертикально вверх и равная весу
вытесненной жидкости в объеме
погруженной части тела. Для удобства
измерений иногда
в среднюю часть ареометра вставляют
термометр (рис. 6.1). Ареометры
выпускаются с ценой деления от 0,5 до 5
мг/см3.
Для определения
плотности необходимы: ареометр, цилиндр
стеклянный соответствующих размеров
по высоте и диаметру, термометр ртутный
стеклянный с требуемым интервалом
измеряемой температуры и ценой
деления шкалы 1 °С, фильтровальная
бумага.
В стеклянный
цилиндр, диаметр которого больше диаметра
поплавка ареометра в два раза и более,
осторожно по стенке или по стеклянной
палочке наливают испытуемую жидкость
в том количестве, чтобы при погружении
в нее ареометра уровень жидкости не
поднялся выше края цилиндра. Если
образовалась пена, ее снимают
фильтровальной бумагой. Выдержав 5—10
мин, пока жидкость
не примет температуру окружающего
воздуха, подбирают по значению
ожидаемой плотности ареометр из набора,
погружают его в жидкость, держа за
верхнюю часть ножки, отпускают на
незначительное время и следят, чтобы
ареометр не утонул. После подбора
ареометра (он должен плавать и не касаться
стенок цилиндра) через 5 мин выполняют
отсчет сверху вниз по верхнему краю
мениска (для светлых и темных жидкостей),
при этом глаз определяющего должен
находиться на уровне мениска.
В
достаточно вязкие жидкости (v
> >
200 мм2/с
при 50°С) ареометр не погружается.
Предварительное нагревание
объекта свыше 40°С не дает должного
эффекта, так как погрешность
при вычислении действительной плотности
по формуле (6.1) превышает
допустимую (±0,005 г/см3).
Поэтому
перед определением плотности очень
вязких веществ их предварительно
разбавляют равным объемом осветленного
керосина.
Плотность разбавителя
предварительно
определяют тем же ареометром. Принимаем,
что плотность смеси испытуемого
вязкого продукта р, и разбавителя
р2
подчиняется правилу аддитивности
(объем целого тела равен
81
пературной
поправки
взятой
в области отсчета плотности пошкале
ареометра. Предельная абсолютная
погрешность отсчета плотности
по шкале ареометра
может
быть принята равной значению
наименьшего деления шкалы ареометра
Абсолютная
погрешность метода измерения
плотности
может
быть оценена сравнением с результатом
определения плотности вещества другим
методом, например пикнометрическим.
Величиной
можно
пренебречь. Другие погрешности
для однократного измерения представляются
как допускаемые. Поэтому максимальную
погрешность результата измерения можно
вычислить по уравнению:
где
—
коэффициенты весомости проявления
каждой по-
грешности в процессе
измерения, они могут быть рассчитаны
по формулам:
Определение
плотности жидких веществ пикнометрическим
методом
Этот метод наиболее
точен и основан на сравнении массы
испытуемого
вещества определенного объема при
определенной температуре
с массой воды того же объема и при той
же температуре. Метод пригоден для
определения плотности любых жидких
органических
веществ. Испытание проводят в пикнометрах
разных объемов
и форм. Чаще всего используют пикнометры
емкостью от 1 до 50 мл.
Для определения
плотности необходимы: пикнометр (рис.
6.2), водяная баня или термостат, где
поддерживается температура с точностью
±0,1 °С, термометр ртутный стеклянный
с ценой деления 0,1 °С, аналитические
весы, пипетка с оттянутым капилляром,
вода дистиллированная, фильтровальная
бумага.
Сначала
для пикнометра определяют «водное
число» — массу дистиллированной воды
в объеме
пикнометра при 20°С. Для этого промытый
пикнометр высушивают, взвешивают
83
Определение
плотности твердых веществ
Для определения
плотности твердых веществ применяют
пикнометры, называемые волюмометрами.
Емкость таких пикнометров обычно 50
мл. Вещество, относительную плотность
которого нужно определить, должно не
растворяться в растворителях. В качестве
растворителей применяют этанол,
хлороформ, керосин и другие растворители.
Перед определением
плотности твердого вещества его
измельчают
в фарфоровой ступке, высушивают в
сушильном шкафу 1,5 — 2
ч при
Относительную
плотность твердого вещества начинают
определять
с относительной плотности выбранного
растворителя. В волю-мометр,
тщательно вымытый, высушенный и взвешенный
на аналитических весах, помещают
растворитель и снова взвешивают. В тот
же волюмометр, также подготовленный к
работе, насыпают несколько
граммов исследуемого измельченного
вещества, взвешивают,
определяя навеску вещества.
Затем наливают в
волюмометр небольшими порциями
растворитель.
Содержимое волюмометра тщательно
перемешивают встряхиванием.
По заполнении волюмометра на 2/3
объема его помещают
на 1 — 2 ч в водяную баню, нагретую до 60
— 65°С,
для удаления
пузырьков воздуха. Затем волюмометр
охлаждают, доливают растворитель до
метки и взвешивают, определяя массу
волюмометра с измельченным веществом
и растворителем.
Относительную
плотность твердого вещества определяют
по уравнению:
где
—
относительная плотность жидкости;
—
масса измельченного вещества, навески,
г;
—
масса пикнометра, наполненного
растворителем, г;
—
масса пикнометра с измельченным веществом
и растворителем, г.
Правильно
определить плотность твердого вещества
можно только
при условии полного удаления воздуха.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Экспериментальное определение — плотность
Cтраница 1
Экспериментальное определение плотности или объема вещества в критической точке сопряжено с большими трудностями и проводится нередко с большой погрешностью. Поэтому Гавн и Ямада предложили вместо объема вещества в критической точке использовать другую постоянную масштабную величину, находящуюся вдали от критической точки и определяемую с большой точностью.
[1]
Экспериментальное определение плотности и пористости тел обычно проводят с помощью пикнометра.
[2]
Экспериментальные определения плотности узлов трехмерной сетки можно проводить различными химическими и физическими методами.
[3]
Экспериментальное определение плотностей и пористости тел обычно проводят с помощью пикнометра.
[4]
Экспериментальное определение плотности газа производят методом, основанным на том, что плотности двух газов, равные объемы которых при одинаковых условиях температуры и давления вытекают из узкого отверстия, пропорциональны квадратам продолжительности их истечения. За один из газов обычно принимают воздух.
[6]
Экспериментальное определение плотности гидратных кристаллов представляет значительные технические трудности, поскольку, во-первых, оно должно проводиться под давлением и, во-вторых, кристаллы должны быть выделены из гидратного шлама, который, по лабораторным данным, содержит только 10 — 20 % твердого вещества.
[7]
Экспериментальное определение плотности безводной хлорной кислоты весьма затруднительно вследствие нестойкости и взрывооласности этого вещества. Имеется всего две работы [159, 328] по определению плотности такой кислоты. Исследование [328] выполнено методом пикнометра. Точность данных обеих работ не указана, однако в работе [328] приведены значения плотности водных растворов хлорной кислоты при концентрациях ниже 70 % по массе, которые можно сравнивать с результатами других исследований плотности водных растворов.
[8]
На основе экспериментальных определений плотности газа, теплоемкости и теплоты испарения ( парообразования) были сделаны для важнейших технических газов расчеты величин энтальпии и энтропии как функций состояния. Результаты расчетов собраны в справочные таблицы, но для фактического пользования более удобны составленные по этим справочным данным диаграммы.
[9]
Предварительные результаты экспериментального определения плотности азота приведены ниже в сопоставлении с данными таблиц [4], интерполированных к тем же значениям параметров.
[10]
На основе экспериментальных определений плотности газа, теплоемкости и теплоты испарения ( парообразования) были сделаны для важнейших технических газов расчеты величин энтальпии и энтропии как функций состояния. Результаты расчетов собраны в справочные таблицы, но для фактического пользования более удобны составленные по этим справочным данным диаграммы.
[11]
В табл. 2 приведены результаты экспериментального определения плотности, а также вязкости рассматриваемых нефтей в пределах температур от 0 до 50 включительно.
[13]
К настоящему времени известна лишь одна работа по экспериментальному определению плотности насыщенного пара Cs, когда цезий помещался в трубку, по длине которой были надеты шесть хомутиков.
[14]
Страницы:
1
2
3
Введение
Представим, что у нас есть две одинаковые бутылки – одна наполнена водой, а вторая пустая. Как определить, в какой из бутылок вода? Достаточно взять в руку каждую из них и выбрать ту, которая тяжелее! Вода в одной бутылке и воздух в другой занимают одинаковые объёмы, но при этом масса воды заметно больше. Тоже самое можно пронаблюдать и на другом примере! Возьмём два одинаковых по размеру шарика, один из которых изготовлен из пенопласта, а другой – из стали. Объёмы шариков равны, а вот массы будут отличаться. Если положить их на разные чаши весов, шарик из стали окажется тяжелее. Кстати, если бросить оба этих шарика в воду, то стальной сразу же утонет, а шарик из пенопласта останется плавать на поверхности! Бывает и наоборот: тела могут иметь равные массы, но занимать разные объёмы. Вспомните известную загадку про килограмм железа и килограмм ваты! Что тяжелее? Верный ответ: их массы равны. Но килограмм ваты будет занимать значительно больший объём, чем килограмм железа.
Плотность вещества
Если человек, плавая в бассейне, вдохнёт полной грудью, он начнёт всплывать, а если выдохнет, напротив, начнёт тонуть. Масса человека при этом остаётся прежней, а вот объём его тела немного изменится. И это, пусть и незначительное, изменение уже повлияет на то, как подействует на человека вода в бассейне. Из примеров, которые я привёл, можно сделать простой вывод: масса тела связана не только с его объёмом, но и с веществом материала, из которого оно изготовлено. Чтобы описать эту связь, ввели специальную характеристику вещества – плотность. Плотность вещества – это отношение массы вещества к занимаемому им объёму. Обозначается плотность маленькой греческой буквой 
.
Единицы измерения плотности в СИ:
. В примере с двумя бутылками вода в одной из них и воздух в другой имеют одинаковые объёмы и разные массы.
Отсюда следует, что плотность воды, которая равна 
будет больше плотности воздуха, которая равна: 
.
То же самое с шариками из стали и пенопласта (рис. 1).
Рис. 1. Шарики из пенопласта (слева) и стали (справа)
При равных объёмах масса стального шарика больше. Значит, плотность стали больше, чем плотность пенопласта. Чтобы экспериментально определить плотность вещества, достаточно взять некоторый объём вещества и измерить его массу. Далее, разделив массу на объём, найдём искомую плотность. Пронаблюдать экспериментальное определение плотности меди вы можете в ответвлении.
Давайте определим плотность меди экспериментальным путём.
Возьмём медный кубик со стороной 10 см. Чтобы определить плотность меди, нам необходимо измерить его массу и объём. Положим кубик на электронные весы и измерим его массу: как видим, она равна 8,9 кг. Теперь давайте вычислим объём кубика.
Формула для объёма куба выглядит так: 
.
а – это длина стороны куба, которую мы знаем, она равна 10 см. Перед тем как подставить длину стороны в формулу, переведём её размерность в системные единицы.
10 см = 0,1 м
Тогда объём кубика будет равен: 
.
Остаётся подставить найденные величины в формулу для плотности: 
Плотности большинства веществ давно определены и представлены в специальных таблицах. Пример такой таблицы вы видите на рис. 2.
Плотности некоторых твердых тел
Рис. 2. Таблица плотностей некоторых веществ
Это очень удобно. Если нам известно, из какого материала изготовлено тело, мы можем, зная объём, найти его массу, или, наоборот, зная массу, найти объём. Для этого достаточно выразить нужную нам величину из определения плотности: 
.
Если мы знаем объём и плотность, то масса вещества будет равна: 
.
Если мы знаем массу и плотность, то объём вещества будет равен: 
.
Решение задач
Задача
Масса медного чайника 1,32 кг. Определите массу такого же по форме и размерам алюминиевого чайника.
Давайте порассуждаем:
— в условии сказано, что оба чайника имеют одинаковую форму и размеры. Это означает, что их объёмы равны, обозначим их буквой V;
— также нам даны материалы, из которых изготовлены чайники: алюминий и медь. Значения плотности этих веществ мы можем узнать из таблицы (рис. 2).
— зная массу медного чайника и плотность меди, найдём объём;
— зная объём и плотность алюминия, найдём массу алюминиевого чайника.
Перейдём к решению: давайте запишем определение плотности вещества для материалов каждого из чайников. Для медного: 
.
Для алюминиевого: 
.
Масса медного чайника нам известна, поэтому из первого уравнения мы можем найти объём. Выразим его: 
.
Теперь выразим из второго уравнения массу алюминиевого чайника, которая и является искомой величиной в задаче: 
.
Подставим сюда выражение для объёма, которое мы получили чуть выше: 
.
Подставим массу медного чайника из условия и плотности меди и алюминия из таблиц. И рассчитаем ответ: 
.
Задача решена.
Средняя плотность
Важно понимать, что плотность вещества характеризует именно вещество, а не тело, которое из него состоит. Если мы, например, разрежем шарики пополам, то массы и объёмы их половинок будут меньше изначальных, но плотности стали и пенопласта останутся неизменными (рис. 3).
Рис.3. Разрезанные шарики: слева сталь, справа пенопласт
На практике тела чаще состоят не из одного вещества, а из нескольких. Поэтому, помимо плотности вещества, существует понятие средней плотности тела. Средняя плотность тела – это отношение массы тела к его объёму.
В качестве примера вновь обратимся к шарикам из стали и пенопласта. Возьмём коробку и наполним её разными шариками – и из стали, и из пенопласта (рис. 4).
Рис. 4. Коробка с шариками
Измерив её массу и объём, мы сможем найти среднюю плотность такой коробки.
Она будет отличаться и от плотности стали, и от плотности пенопласта и примет некоторое среднее значение.
Задача
Медный цилиндр объёмом 
имеет массу 890 г. Сплошной этот цилиндр или полый? Если полый, найдите объём полости.
Давайте порассуждаем:
— в условии нам даны масса и объём цилиндра, значит, мы можем найти его плотность.
— в случае если цилиндр полый, найденная плотность будет его средней плотностью – ведь внутри полости будет некоторый объём воздуха.
Рассчитаем плотность цилиндра: 
.
Полученное значение меньше плотности меди, которое равно 
. Значит, цилиндр полый. Масса воздуха внутри полости пренебрежимо мала по сравнению с массой меди, поэтому мы можем считать, что масса цилиндра – это и есть масса меди. А значит, зная плотность меди, мы найдём объём, который она занимает: 
.
Разница между объёмом всего цилиндра и объёмом, который занимает только медь, это и есть объём полости. Он будет равен: 
.
Подставим числа и рассчитаем ответ: 
.
Правильный ответ: цилиндр полый, объём полости равен 30 см3.
Плавание тел
А теперь вернёмся к вопросу о том, почему стальной шарик потонет, если его бросить в воду, а шарик из пенопласта будет плавать на поверхности. Жидкости и газы действуют на погруженные тела с выталкивающей силой. Подробнее с этим явлением вы познакомитесь на следующих уроках. Но говоря простыми словами: если плотность тела, погруженного в воду, больше плотности воды, то тело потонет. Если меньше – оно всплывёт на поверхность (рис. 5).
Рис. 5. Стальной шарик утонул, шарик из пенопласта плавает
Плотность стали (которая равна 7800 
) больше плотности воды (которая равна 1000). А плотность воды больше плотности пенопласта (которая равна 25) (рис. 6).
Рис. 6. Плотность веществ
Поэтому стальной шарик потонет, а шарик из пенопласта будет плавать на поверхности. По той же причине, если человек вдохнёт полной грудью в бассейне, объём его тела увеличится, а масса останется неизменной. Тем самым средняя плотность тела человека уменьшится и примет меньшее значение, чем плотность воды. И вот тогда человек начнёт всплывать к поверхности!
Вопросы к конспектам
Дайте определение плотности вещества.
900 г жидкого вещества имеет объем 1 л. Определите, что это за вещество?
Подсолнечное масло не растворяется в воде. Как будет вести себя капля подсолнечного масла в воде? Почему?
Какова масса медного параллелепипеда, имеющего такие же размеры и форму, как и десятикилограммовый золотой слиток?