Как найти плотность внутри вещества

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Определение плотности твердых тел, имеющих правильную геометрическую форму

Приборы и принадлежности: исследуемые тела, штангенциркуль или микрометр, технические весы с разновесами.

Плотностью вещества ρ называется физическая величина, измеряемая отношением массы вещества к его объему, т.е.

где m – масса вещества, V – его объем.

Для определения ρ надо знать эти две величины. Масса твердого тела находится при помощи рычажных весов. Объем тела правильной геометрической формы вычисляется по формулам геометрии. Измерение линейных размеров тела производится при помощи штангенциркуля или микрометра.

1. Тело имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Пусть a, b, c – длины его ребер. Тогда объем параллелепипеда будет равен V=a·d·c. Измерение линейных размеров тела производится с помощью штангенциркуля, точность которого 0,05 мм. Масса тела находится на технических весах, точность которых определяется наименьшим разновесом, который используется при взвешивании (обычно Δm=10 мг=0,01 г).

Пусть линейные размеры тела определяются по три раза в разных местах, а масса – один раз. Как следует из теории погрешностей, при небольшом числе измерений можно ограничиться нахождением средней арифметической абсолютной ошибки измерений и соответствующей ей относительной ошибки. Данные измерений рекомендуется записать в таблицу:

Расчет ρ_ср производится по средним значениям измеряемых величин, т.е. по формуле

Все вычисления необходимо проводить в одной системе единиц: в ед.СИ (кг, м) или в системе СГС (г, см).

Оценим теперь погрешности измерений. В нашем случае проще сначала вычислить относительную ошибку измерений, а затем уже абсолютную. Тогда, пользуясь табл.1, находим

Откуда .

После вычисления ошибок необходимо сопоставить приборные ошибки и расчетную среднюю абсолютную ошибку результата. Результат эксперимента следует записать в виде г/см 3 .

2. Тело имеет форму цилиндра, диаметр которого равен d, а высота Н. Тогда объем тела равен Измерение линейных размеров цилиндра производится с помощью микрометра, точность которого 0,01 мм. Масса цилиндра определяется на технических весах с точностью 0,01 г. Пусть масса тела определяется один раз, а размеры не менее пяти раз. Для такого количества измерений, как следует из теории погрешностей, целесообразнее вычислить средние квадратичные ошибки измерений σ. Данные измерений записываются в таблицу:

Расчет ρ_ср производится по средним значениям измеряемых величин по формуле

Средние квадратичные ошибки σ_d и σ_Н находятся по формуле (18)(следующим образом). В данном примере, как и в предыдущем, удобнее сначала вычислить относительную ошибку результата. Пользуясь табл.2, находим

Отсюда средняя квадратичная погрешность измерения плотности

Окончательный результат вычисления плотности тела записывается в виде ρ=( ρ_ср±σ_ρ) г/см 3 .

ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

Колебательным движением (колебанием) называется процесс, при котором система, многократно отклоняясь от своего состояния равновесия, каждый раз вновь возвращается к нему. Если этот процесс совершается через равные промежутки времени, то колебание называется периодическим.

Несмотря на большое разнообразие колебательных процессов как по физической природе, так и по степени сложности, все они совершаются по некоторым общим закономерностям и могут быть сведены к совокупности простейших периодических колебаний, называемых гармоническими, которые совершаются по закону синуса (или косинуса).

Предположим, что они описываются законом

(1)

Здесь x — смещение (отклонение) колеблющейся системы от положения

А — амплитуда, т.е. максимальное смещение от положения равновесия, — фаза колебаний. Физический смысл фазы в том, что она определяет смещение х в данный момент времени,

φ_о — начальная фаза колебания (при t=0);

ω — круговая частота (или угловая скорость) колебаний. ω связана с

частотой колебания и периодом колебания Т: , (2)

Т — период — время одного полного колебания.

Если в уравнении (1) положить начальную фазу φ_о=0, то график зависимости смещения х от времени или график гармонического колебания будет иметь вид, представленный на рис.1.

Систему, закон движения которой имеет вид (1), называют одномерным классическим гармоническим осциллятором.

Хорошо известным примером гармонического осциллятора является тело (шарик), подвешенное на упругой пружине. По закону Гука при растяжении или сжатии пружины возникает противодействующая сила, пропорциональная растяжению или сжатию х, т.е. тело будет совершать гармонические колебания под действием силы упругости пружины F=-kx. Однако гармонические колебания возникают под действием не только упругих, но и других сил, по природе не упругих, но для которых остается справедливым закон F=-kx. Такие силы получили название квазиупругих.

Как известно, движение системы под действием силы описывается II-м законом Ньютона: ma =F, где a — ускорение колеблющейся системы Для гармонических колебаний F=-kx. Тогда второй закон Ньютона будет иметь вид неполного дифференциального уравнения второго порядка

, (3)

или уравнение движения классического осциллятора, где .

Решением данного уравнения (3) является выражение (1), что нетрудно проверить, дифференцируя дважды (1) по времени и подставляя в уравнение (3). При этом получим, что (4)

Для упрощения записи в дальнейшем можно положить начальную фазу нулю (φ_о=0), тогда уравнение (1) будет иметь вид (1 ΄ )

Скорость гармонически колеблющегося тела можно найти, дифференцируя по времени уравнение (1 ΄ ):

или . (5)

Видно, что скорость при гармонических колебаниях тоже изменяется по гармоническому закону, но опережает смещение по фазе на (по времени на Т/4).

Ускорение тела при гармонических колебаниях равно: , или

(6)

Сравнение этого выражения (6) с (1) показывает, что ускорение и смещение находятся в противофазе (рис.2). Это означает, что в тот момент, когда смещение достигает наибольшего положительного значения, ускорение достигает наибольшего по величине отрицательного значения, и наоборот.

Кинетическая энергия осциллятора при гармоническом колебании с учетом (4) и (5) имеет вид:

Потенциальная энергия: , а так как «k» связано с собственной частотой колебания осциллятора ( ), то

Полная энергия гармонического осциллятора в процессе колебаний не меняется. Действительно:

Из последнего выражения видно, что полная механическая энергия осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды и не зависит от времени. Кинетическая и потенциальная энергии изменяются по гармоническому закону, как и , но когда одна из них увеличивается, другая уменьшается. Это означает, что процесс колебаний связан с периодическим переходом энергии из потенциальной в кинетическую и обратно.

Рассмотрим некоторые из классических гармонических осцилляторов.

Математический маятник

Математическим маятником называют систему, состоящую из невесомой и нерастяжимой нити, на которой подвешен шарик, масса шарика сосредоточена в одной точке (рис.3). В положении равновесия на шарик действуют две силы: сила тяжести P=mg и сила натяжения нити N — равные по величине и направленные в противоположные стороны.

Если маятник отклонить от положения равновесия на небольшой угол α, то он начнет совершать колебания в вертикальной плоскости под действием составляющей силы тяжести P_t, которую называют тангенциальной составляющей (нормальная составляющая силы тяжести P_n будет уравновешиваться силой натяжения нити N).

Из рис.3 видно, что тангенциальная составляющая силы тяжести .

Знак минус показывает, что сила, вызывающая колебательное движение, направлена в сторону уменьшения угла α. Если угол α мал, то синус можно заменить самим углом, тогда .

С другой стороны, из рис.3 видно, что угол α можно записать через длину дуги x и радиус ℓ: α = x/ℓ, т.е. сила, возвращающая маятник в положение равновесия, является квазиупругой: , где — коэффициент квазиупругой силы. Второй закон Ньютона в этом случае будет иметь следующий вид: . (7)

С учетом (4), можно записать, что , откуда . (8)

Период колебаний математического маятника при малых углах отклонения

не зависит от амплитуды колебания и от его массы, а определяется длиной маятника и ускорением свободного падения g.

Физический маятник

Физическим маятником называется абсолютно твердое тело, которое может совершать колебания под действием силы тяжести вокруг горизонтальной оси О, перпендикулярной плоскости рисунка и не проходящей через его центр тяжести.

На рис.4 изображено сечение физического маятника плоскостью, перпендикулярной к его оси вращения О и проходящей через его центр тяжести С.

Запишем в общем виде уравнение движения маятника, т.е. основное уравнение динамики вращательного движения

где J — момент инерции маятника относительно горизонтальной оси О, β — угловое ускорение, М — момент внешних сил. В нашем случае момент внешних сил обусловлен действием силы тяжести. Очевидно, что на каждый элемент массы Δm_i маятника действует сила тяжести Δm_ig, создающая определенный момент

относительно оси О. Сумма моментов этих сил равна моменту равнодействующей сил тяжести, которая приложена к центру тяжести маятника (точка С).

Докажем, что маятник, выведенный из положения равновесия на малый угол φ, будет совершать гармонические колебания. Для этого равнодействующую сил тяжести P=mg разложим на две составляющие, одна из которых P₂ уравновешивается реакцией опоры, а под действием другой составляющей P₁=Psinφ маятник приходит в движение. Обозначим расстояние от точки подвеса О до центра тяжести С через a. Тогда уравнение движения маятника (9) запишется в виде

Знак минус показывает, что сила P₁ направлена к положению равновесия и приводит к уменьшению угла отклонения φ. Так как , а для малых углов φ можно принять sinφ≈φ, то уравнение (10) будет иметь вид:

, или . (11)

Частным решением этого дифференциального уравнения является уравнение

, где . Исходя из полученного выражения для ω, находим выражение для периода колебаний физического маятника

. (12)

Величина называется приведенной длиной физического маятника, это есть длина эквивалентного математического маятника, имеющего тот же период колебаний, что и данный физический маятник.

Физическим маятником также можно воспользоваться для определения ускорения свободного падения.

Любой физический маятник обладает свойством сопряженности, которое заключается в том, что в нем можно найти такие две точки, что при последовательном подвешивании маятника за ту или иную из них, период колебаний его остается одним и тем же. Расстояние между этими точками определяет собой приведенную длину физического маятника.

Разновидностью физического маятника является оборотный маятник, который обладает свойством сопряженности центра качания и точки подвеса. Центром качания называется точка, находящаяся на расстоянии приведенной длины от оси вращения. Приведенная длина всегда больше величины a (см.рис.4), т.е. центр качания всегда лежит ниже центра тяжести. Действительно, по теореме Штейнера момент инерции маятника относительно оси вращения равен J=J_o+ma 2 , где J_o — момент инерции маятника относительно оси, проходящей через центр тяжести. Тогда приведенная длина ℓ_пр равна , т.е. >a.

Источник

Содержание:

Плотность, единицы плотности:

Мы часто употребляем выражение «легкий, как воздух» или «тяжелый. как свинец». Но знаете ли вы. что воздух внутри, скажем, супермаркета, весит больше 400 кг. а груз такой массы не поднять и силачу. Свинцовое же грузило для удочки легко поднимет даже малыш. Выходит, приведенные выше выражения — неправильные? Подождите делать выводы — давайте разберемся.

На рис. 2.8 вы видите два бруска, оба бруска изготовлены из одного и того же вещества — свинца, но имеют разные размеры. Наша задача — найти отношение массы каждого бруска к его объему.

Для начала измерьте длину, ширину и высоту брусков и вычислите их объемы. (Если вы правильно выполните измерения и не ошибетесь в расчетах, то вы получите такие результаты: объем меньшего бруска равен 4 см3, большего бруска — 10 см3.)

Определив объемы брусков, взвесим их. На левую чашу весов поместим один из брусков, на правую — разновесы (рис. 2.9). Весы находятся в равновесии, ваша задача — сосчитать массу разновесов.

Нам осталось найти отношение массы каждого бруска к его объему, т. е. вычислить, чему равняется масса свинца объемом 1 см3 для меньшего и для большего брусков. Очевидно, что если масса меньшего бруска 45,2 г и он занимает объем 4 , то масса свинца объемом 1 для этого бруска равняется 45,2 : 4 — 11,3 (г). Выполнив аналогичные расчеты для большего бруска, получим 113 : 10 = 11,3 (г). Таким образом, отношение массы свинцового бруска к его объему (масса свинца единичного объема) одинаково как для большего, так и для меньшего брусков.

Если теперь взять бруски, изготовленные из другого вещества (например алюминия), и повторить те же действия, то отношение массы алюминиевого бруска к его объему также не будет зависеть от размеров бруска. Мы снова получим постоянное число, но уже другое, чем в опыте со свинцом.

Определение плотности вещества

Физическая величина, характеризующая данное вещество и численно равная массе вещества единичного объема, называется плотностью вещества.

Плотность обозначается символом р и вычисляется по формуле

где V — объем, занятый веществом массой m.

Плотность — это характеристика вещества, не зависящая от массы вещества и его объема. Если увеличить массу вещества, например, в два раза, то объем, который оно займет, также возрастет в два раза*.

Из определения плотности вещества получим единицу плотности. Поскольку в СИ единицей массы является килограмм, а единицей объема — метр кубический, то единицей плотности в СИ будет килограмм на метр кубический (кг/м*).

1 кг/м-* — это плотность такого однородного вещества, масса которого в объеме один кубический метр равняется одному килограмму.

На практике также очень часто применяется единица плотности грамм на сантиметр кубический (г/см*).

Единицы плотности килограмм на метр кубический (кг/м-1) и грамм на сантиметр кубический (г/см3) связаны между собой соотношением:

 

Плотности разных веществ

Плотности разных веществ и материалов могут существенно отличаться друг от друга (рис. 2.10). Рассмотрим несколько примеров. Плотность водорода при температуре О С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 0,090 кг/ — это значит, что масса водорода объемом 1 равна 0,090 кг, или 90 г. Плотность свинца 11 300 кг/м3. Это означает, что свинец объемом

1    м3 имеет массу 11 300 кг, или 11,3 т. Плотность вещества нейтронной звезды достигает кг/. Масса такого вещества объемом равняется 1 млрд тонн. Ниже в таблице приведены плотности некоторых веществ.

Плотность, однако, существенно изменяется в случае изменения температуры и агрегатного состояния вещества. С причинами изменения плотности вещества мы познакомимся далее.

Таблица плотностей некоторых веществ в твердом состоянии

Таблица плотностей некоторых веществ в жидком состоянии

Таблица плотностей некоторых веществ в газообразном состоянии (при температуре О °С и давлении 760 мм рт. ст.)

Вычисление плотности, массы и объема физического тела

На практике часто бывает необходимо определить, из какого вещества состоит то или иное физическое тело. Для этого можно воспользоваться таким способом. Вначале вычислить плотность этого тела, т. е. найти отношение массы тела к его объему. Далее, воспользовавшись данными таблицы плотностей, выяснить, какому веществу соответствует найденное значение плотности.

Например, если глыба объемом имеет массу 2700 кг, то очевидно, что плотность глыбы равна:

По таблице находим, что глыба состоит из льда.

В приведенных выше примерах мы рассматривали так называемые однородные тела, т. е. тела, не имеющие пустот и состоящие из одного ее щества (ледяная глыба, свинцовый и алюминиевый бруски). В таких случаях плотность тела равна плотности вещества, из которого оно состоит (плотность ледяной глыбы = плотности льда).

Если в теле есть пустоты или оно изготовлено из различных веществ (например, корабль, футбольный мяч, человек), то говорят о средней плотности тела, которая также исчисляется по формуле

где V — объем тела массой m.
Средняя плотность тела человека, например, составляет

Зная плотность вещества, из которого изготовлено тело (или среднюю плотность тела), и объем тела, можно определить массу данного тела без взвешивания. В самом деле, если

Соответственно, зная плотность и массу тела, можно найти его объем:

Итоги:
Физическая величина, характеризующая данное вещество и численно равная массе вещества единичного объема, называется плотностью вещества.

Плотность вещества и плотность тела можно рассчитать по формуле

В СИ плотность измеряется в килограммах на метр кубический Часто также используют единицу плотности грамм на сантиметр кубический. Эти единицы связаны между собой соотношением:

Зная массу тела и его плотность, можно найти объем тела: Соответственно, по известным объему тела и его плотности можно найти массу тела:

Плотность и единицы плотности

Вы наверняка слышали выражения «легкий, как воздух», «тяжелый, как свинец». При этом воздух внутри, скажем, супермаркета имеет массу более 5000 кг! Поднять груз такой массы не сможет и силач. В то же время свинцовое грузило для удочки легко поднимет даже малыш. Так что же, приведенные выражения ошибочны? Выясним, в чем здесь дело.

На рис. 16.1 изображены два однородных (не имеющих пустот) свинцовых бруска разного объема. Массы брусков тоже разные. Наша задача — найти отношение массы каждого бруска к его объему, то есть определить массу свинца объемом

1)Измерьте длину, ширину, высоту брусков и вычислите их объемы 2)Определите массу каждого бруска ( и ) (рис. 16.2). Весы находятся в равновесии, значит, следует найти массу разновесов.

3)Определите отношение массы каждого бруска к его объему , то есть узнайте, какова в каждом случае масса свинца объемом Надеемся, что вы все сделали правильно и для обоих брусков получили одинаковые результаты: Итак, мы определили, что масса свинца объемом равна 11,3 г.

Как вы считаете, изменится ли результат, если для эксперимента взять однородные свинцовые бруски вдвое большей массы? Если изменится, то как?

Определение плотности вещества

Мы провели измерения и расчеты для тел, изготовленных из свинца. Если для эксперимента взять однородные тела, изготовленные из другого вещества, например алюминия, то снова получим одинаковые результаты, но уже другие, чем в опыте со свинцом.

Отношение массы тела к его объему — характеристика не тела, а вещества, из которого это тело изготовлено. Эту величину называют плотность вещества.

Плотность вещества — это физическая величина, которая характеризует вещество и равна отношению массы однородного тела, изготовленного из данного вещества, к объему этого тела: где ρ («ро») — плотность вещества; m — масса тела; V — объем тела (объем, занятый веществом). В СИ единица массы — килограмм, единица объема — метр кубический, поэтому единица плотности в СИ — килограмм на метр кубический: Используют также единицу плотности грамм на сантиметр кубический . Единицы плотности килограмм на метр кубический и грамм на сантиметр кубический связаны соотношением:

Сравнение плотности разных веществ

Плотности веществ могут существенно отличаться. Именно поэтому одинаковые по размерам однородные тела, изготовленные из разных веществ, будут иметь разную массу. Приведем несколько примеров.

Кубики на рис. 16.3 изображены в натуральную величину и являются однородными. Объем каждого кубика — , массы кубиков указаны на рисунке.

Первый кубик изготовлен из пробки. Плотность пробки составляет — это означает, что масса пробки объемом равна 0,2 г. Плотность льда , следовательно, масса льда объемом равна 0,9 г. Плотность свинца составляет , поэтому однородное свинцовое тело объемом имеет массу 11,3 г. Используя рис. 16.3, найдите плотность золота. По таблицам плотностей некоторых веществ (см. с. 249 учебника) определите массу кубика объемом , изготовленного из латуни.

От чего зависит плотность вещества

Плотность существенно зависит от агрегатного состояния и температуры вещества. Если вещество изменяет свое агрегатное состояние или температуру, его масса остается неизменной, так как количество частиц (молекул, атомов) и масса каждой из них не изменяются. А вот объем вещества изменяется, поскольку изменяется среднее расстояние между частицами. Так, при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное плотность вещества уменьшается, поскольку увеличивается среднее расстояние между частицами, а значит, увеличивается объем, который занимает вещество (рис. 16.4).

С увеличением температуры среднее расстояние между частицами увеличивается, соответственно увеличивается объем вещества и уменьшается его плотность. И наоборот, чем ниже температура вещества, тем меньше межмолекулярные промежутки, а значит, меньше объем вещества и больше — его плотность*. 5

Вычисление и расчёт плотности тела, массы и объем тела

Как выяснить, из какого вещества изготовлено однородное тело? Один из способов — определить плотность этого тела и сравнить полученный результат с данными таблиц плотностей. Чтобы определить плотность тела, достаточно измерить его массу и объем и вычислить отношение массы тела к его объему.

Исключениями являются вода, чугун и некоторые другие вещества. Например, при нагревании воды от О °C до 4 °C ее плотность увеличивается. Плотность — это характеристика вещества, но иногда, например для сокращения записи, употребляют термин «плотность тела».

Например, если однородная фигурка объемом имеет массу m = 8,9 кг, то плотность вещества, из которого она изготовлена, равна: По таблице плотностей определяем, что фигурка изготовлена из вещества, имеющего такую же плотность, что и медь (рис. 16.5).

До сих пор речь шла об однородных телах, то есть телах, не имеющих пустот и состоящих из одного вещества (свинцовые бруски, медная фигурка). А вот если в теле есть пустоты или оно состоит из разных веществ (например, корабль, футбольный мяч, человек), то говорят о средней плотности тела; ее вычисляют по формуле: где ρ— средняя плотность тела; V — объем тела; m — масса тела. Так, средняя плотность тела человека чуть больше Зная объем тела и его плотность (плотность вещества, из которого оно изготовлено, или среднюю плотность тела), можно определить массу тела без взвешивания. Действительно, если Соответственно, зная массу тела и его плотность, можно найти объем тела:

Итоги:

Плотность вещества — это физическая величина, которая характеризует вещество и равна отношению массы однородного тела, изготовленного из данного вещества, к объему этого тела. Плотность можно определить по формуле

Единица плотности в СИ — килограмм на метр кубический Также используют единицу плотности грамм на сантиметр кубический Эти единицы связаны соотношением: Зная объем тела и его среднюю плотность, можно найти массу тела: . По известным массе и плотности можно найти объем тела: .

Напомним: приступив к решению задачи по физике, сначала следует несколько раз внимательно прочитать ее условие и понять, какое явление описано в задаче, какое тело рассматривается. Другими словами, нужно четко представить ситуацию, которую описывает задача, а уже потом приступать к поиску ответа. Итак, внимательно читаем, думаем, решаем. Попробуйте сначала поработать над каждой задачей самостоятельно, а уже потом ознакомьтесь с ее решением в учебнике.

• Заказать решение задач по физике

Пример №1

Однородный кубик с ребром 2 см имеет массу 20 г. Из какого вещества изготовлен кубик? Анализ физической проблемы. Для ответа на вопрос определим плотность вещества, из которого изготовлен кубик, а потом воспользуемся таблицей плотностей. Задачу будем решать в единицах, данных в условии.

Дано:

,.

Найти:

Решение:

По определению плотности:

Объем куба вычисляют по формуле:

Следовательно, имеем:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результата. Из таблицы плотностей узнаем, что плотность имеет стекло.

Ответ: кубик, возможно, изготовлен из стекла.

Пример №2

Свинцовый шар объемом имеет массу 0,565 кг. Определите, однородный этот шар или имеет пустоту. Если в шаре есть пустота, вычислите ее объем. Анализ физической проблемы. Выполним пояснительный рисунок. Если объем свинца меньше объема шара , то шар имеет пустоту, объем которой равен: Определяя объем свинца, будем считать, что масса свинца равна массе шара:

Плотность свинца найдем в таблице плотностей. В данной задаче массу лучше выразить в граммах, объем — в сантиметрах кубических, плотность — в граммах на сантиметр кубический.

Дано:

,,,

Найти:

Решение:

1. Определим объем свинца.

По определению плотности:поэтому

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результатов: , следовательно, шар имеет пустоту.

2. Вычислим объем пустоты:

Ответ:

Пример №3

Сколько железнодорожных цистерн емкостью каждая требуется для перевозки 1080 т нефти? Анализ физической проблемы. Количество цистерн можно найти, разделив общий объем нефти (V) на емкость одной цистерны . Общий объем нефти определим по ее массе и плотности. Плотность нефти найдем в таблице плотностей. Задачу будем решать в единицах СИ.

Дано:

,,

Найти:

Решение:

Из определения плотности найдем общий объем нефти:

Определим общее количество цистерн:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результатов. Количество цистерн, полученное в результате расчетов, вполне реально.

Ответ: N=54.