Care este definiția densității materiei. Cum se măsoară densitatea unui material? densitatea diferitelor materiale. Definiţia other quantities

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 un metru cub sau un centimetru cub. Determinarea densității unei substanțe se realizează cu echipamente și instrumente speciale.

Pentru a determina densitatea unei substanțe, este necesar să-i împărțim masa la propriul volum. Când se calculează densitatea unei substanțe, se folosesc următoarele mărimi:

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

Observație 1

$ρ$ este litera alfabetului grecesc „ro” și nu trebuie confundată cu simbolul similar pentru presiune - $p$ („pe”).

Formula de densitate a materiei

Calculul densității unei substanțe are loc cu utilizarea sistemului 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 stare lichidă normală de 1.000 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:

• $M$ - masa molară a gazului,
• $Vm$ - volumul molar de gaz.

Există două tipuri de solide:

• poros;
• lejer.

Observația 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.

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

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

Apa este o substanță destul de omogenă. Unele substanțe nu sunt atât de omogene, prin urmare, densitatea medie a corpului este determinată pentru ele. Pentru a obține această valoare, este necesar să se cunoască rezultatul lui 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 volumul total pe care îl ocupă.

Valori similare sunt interconectate de 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 restul. La temperaturi scăzute, densitatea unei substanțe crește. Unele substanțe sunt capabile să răspundă la schimbările de temperatură în moduri diferite. În acest caz, se obișnuiește să se spună că densitatea la un anumit interval de temperatură se comportă anormal. 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. Indicele ρ în aceste cazuri își modifică brusc valorile. Crește progresiv la trecerea la un lichid dintr-o stare gazoasă, precum și în momentul cristalizării lichide.

Există, și multe, cazuri excepționale. De exemplu, siliciul are valori mici de densitate în timpul solidificării.

Măsurarea densității unei substanțe

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

• cântare;
• dispozitiv de măsurare sub formă de riglă;
• balonul de măsurare.

Dacă substanța de testat este în stare solidă, atunci un dispozitiv de măsurare sub formă de centimetru este utilizat ca dispozitiv de măsurare. Dacă substanța de testat este în stare lichidă de agregare, atunci se folosește un balon cotat pentru măsurători.

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

Pentru gaze, calculul indicatorului este foarte dificil, deoarece este necesar să se utilizeze diverse instrumente de măsurare.

De obicei, se folosește un hidrometru pentru a calcula densitatea substanțelor. Este conceput pentru a obține rezultate pe lichide. Densitatea reală este studiată cu ajutorul unui picnometru. Solurile sunt examinate cu ajutorul burghiilor Kaczynski si Seidelman.

Instruire

Deci, toată lumea nu știe de mult timp că densitatea unei substanțe, indiferent dacă este lichidă sau solidă, poate fi calculată ca masă împărțită la volum. Adică, pentru a determina experimental densitatea apei lichide obișnuite, trebuie să: 1) Luați un cilindru gradat și cântăriți-l.
2) Turnați apă în el, fixați volumul pe care îl ocupă.
3) Se cântărește cilindrul cu apă.
4) Calculati diferenta de masa, obtinandu-se astfel masa de apa.
5) Calculați densitatea folosind formula cunoscută

Cu toate acestea, s-a observat că valorile densității diferă la diferite temperaturi. Dar cel mai surprinzător lucru este prin ce lege are loc schimbarea. Până acum, oamenii de știință din întreaga lume sunt nedumeriți cu privire la acest fenomen. Nimeni nu poate rezolva misterul și răspunde la întrebarea: „De ce este valoarea densității când este încălzită de la 0 la 3,98 și după 3,98?” Cu câțiva ani în urmă, fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a sugerat un model pentru structura moleculelor de apă. Conform acestei teorii, în apă se formează unele microformații poligonale - vitrite, care, la rândul lor, prevalează asupra fenomenului de alungire a legăturilor de hidrogen și comprimă moleculele de apă. Cu toate acestea, această teorie nu a fost încă confirmată experimental. Mai jos este prezentat un grafic al densității în funcție de temperatură. Pentru ao utiliza, trebuie să: 1) Găsiți valoarea temperaturii de care aveți nevoie pe axa corespunzătoare.
2) Coborâți perpendiculara pe grafic. Marcați punctul de intersecție al dreptei și al funcției.
3) Din punctul rezultat, trageți o linie paralelă cu axa temperaturii și axa densității. Punctul de intersecție este valoarea dorită.Exemplu: Temperatura apei este de 4 grade, apoi densitatea, după construcție, este egală cu 1 g/cm ^ 3. Ambele valori sunt aproximative.

Pentru a determina o valoare mai precisă a densității, trebuie să utilizați tabelul. Dacă nu există date la valoarea dorită a temperaturii, atunci: 1) Găsiți valorile între care se află valoarea dorită. Pentru o mai bună înțelegere, să aruncăm o privire la un exemplu. Lasa-ti nevoie de densitatea apei la o temperatura de 65 de grade. Are între 60 și 70 de ani.
2) Desenați un plan de coordonate. Specificați abscisa ca temperatură, axa y ca densitate. Marcați punctele pe care le cunoașteți (A și B) pe grafic. Conectați-le drept.
3) Coborâți perpendiculara de la valoarea de temperatură dorită la segmentul obținut mai sus, marcați-l ca punct C.
4) Marcați punctele D, E, F așa cum se arată în grafic.
5) Acum se vede clar că triunghiurile ADB și AFC sunt similare. Atunci relația este adevărată:
AD/AF=DB/EF, prin urmare:
(0,98318-0,97771)/(0,98318-x)=(70-60)/(65-60);
0,00547/(0,98318-x)=2
1,96636-2x=0,00547
x=0,980445
În consecință, densitatea apei la 65 de grade este de 0,980445 g / cm ^ 3
Această metodă de găsire a unei valori se numește metoda de interpolare.

Studiul densității substanțelor începe în cursul fizicii de liceu. Acest concept este considerat fundamental în prezentarea ulterioară a fundamentelor teoriei cinetice moleculare în cursurile de fizică și chimie. Scopul studierii structurii materiei, metodele de cercetare pot fi presupuse a fi formarea de idei științifice despre lume.

Ideile inițiale despre o singură imagine a lumii sunt date de fizică. Clasa a VII-a studiază densitatea materiei pe baza celor mai simple idei despre metodele de cercetare, aplicarea practică a conceptelor și formulelor fizice.

Metode de cercetare fizică

După cum știți, printre metodele de studiu a fenomenelor naturale se disting observația și experimentul. Observațiile fenomenelor naturale sunt predate în școala elementară: se fac măsurători simple, adesea păstrează un „Calendar al naturii”. Aceste forme de învățare pot conduce copilul la nevoia de a explora lumea, de a compara fenomenele observate și de a identifica relațiile cauză-efect.

Cu toate acestea, doar un experiment realizat pe deplin îi va oferi tânărului cercetător instrumentele pentru a dezvălui secretele naturii. Dezvoltarea abilităților experimentale, de cercetare se realizează în orele practice și în cursul lucrărilor de laborator.

Efectuarea unui experiment într-un curs de fizică începe cu definițiile unor astfel de mărimi fizice precum lungimea, suprafața, volumul. În același timp, se stabilește o legătură între cunoștințele matematice (destul de abstracte pentru un copil) și cele fizice. Apelul la experiența copilului, luarea în considerare a unor fapte cunoscute de el de mult timp din punct de vedere științific contribuie la formarea competenței necesare în el. Scopul antrenamentului în acest caz este dorința de înțelegere independentă a noului.

Studiu de densitate

În conformitate cu metoda de predare problematică, la începutul lecției, puteți întreba o ghicitoare binecunoscută: „Care este mai greu: un kilogram de puf sau un kilogram de fontă?” Desigur, copiii de 11-12 ani pot răspunde cu ușurință la o întrebare pe care o cunosc. Dar apelul la esența problemei, oportunitatea de a-și dezvălui particularitatea, duce la conceptul de densitate.

Densitatea unei substanțe este masa unei unități de volum. Tabelul, dat de obicei în manuale sau cărți de referință, vă permite să evaluați diferențele dintre substanțe, precum și stările agregate ale unei substanțe. O indicație a diferenței în proprietățile fizice ale solidelor, lichidelor și gazelor, discutată mai devreme, o explicație a acestei diferențe nu numai în structura și aranjarea reciprocă a particulelor, ci și în exprimarea matematică a caracteristicilor unei substanțe, ia studiul fizicii la un alt nivel.

Consolidarea cunoștințelor despre sensul fizic al conceptului studiat permite tabelul de densitate al substanțelor. Copilul, dând un răspuns la întrebarea: „Ce înseamnă valoarea densității unei anumite substanțe?”, înțelege că aceasta este masa de 1 cm 3 (sau 1 m 3) a substanței.

Problema unităților de densitate poate fi pusă deja în această etapă. Este necesar să se ia în considerare modalități de conversie a unităților de măsură în diferite sisteme de referință. Acest lucru face posibil să scapi de gândirea statică, să acceptăm alte sisteme de calcul în alte chestiuni.

Determinarea densității

Desigur, studiul fizicii nu poate fi complet fără rezolvarea problemelor. În această etapă, sunt introduse formule de calcul. la fizica clasa a VII-a, probabil primul raport fizic al cantitatilor pentru copii. I se acordă o atenție deosebită nu numai datorită studiului conceptelor de densitate, ci și datorită faptului de predare a metodelor de rezolvare a problemelor.

În această etapă se stabilește algoritmul pentru rezolvarea unei probleme fizice de calcul, ideologia aplicării formulelor, definițiilor și tiparelor de bază. Profesorul încearcă să învețe analiza problemei, modul de căutare a necunoscutului, particularitățile utilizării unităților de măsură prin utilizarea unui astfel de raport precum formula densității în fizică.

Exemplu de rezolvare a problemelor

Exemplul 1

Determinați din ce substanță este alcătuit un cub cu o masă de 540 g și un volum de 0,2 dm 3.

ρ-? m \u003d 540 g, V \u003d 0,2 dm 3 \u003d 200 cm 3

Analiză

Pe baza întrebării problemei, înțelegem că tabelul cu densitățile solidelor ne va ajuta să stabilim materialul din care este făcut cubul.

Prin urmare, definim densitatea materiei. În tabele, această valoare este dată în g / cm 3, astfel încât volumul din dm 3 este convertit în cm 3.

Decizie

Prin definiție: ρ = m: V.

Ni se dau: volumul, masa. Densitatea unei substanțe poate fi calculată:

ρ \u003d 540 g: 200 cm 3 \u003d 2,7 g / cm 3, care corespunde aluminiului.

Răspuns: Cubul este realizat din aluminiu.

Definiţia other quantities

Utilizarea formulei de calcul a densității vă permite să determinați alte mărimi fizice. Masa, volumul, dimensiunile liniare ale corpurilor asociate cu volumul sunt ușor de calculat în sarcini. Cunoașterea formulelor matematice pentru determinarea ariei și volumului formelor geometrice este utilizată în sarcini, ceea ce face posibilă explicarea necesității studierii matematicii.

Exemplul 2

Determinați grosimea stratului de cupru care acoperă o parte cu o suprafață de 500 cm 2 dacă se știe că s-au folosit 5 g de cupru pentru acoperire.

h-? S \u003d 500 cm 2, m \u003d 5 g, ρ \u003d 8,92 g / cm 3.

Analiză

Tabelul de densitate al substanțelor vă permite să determinați densitatea cuprului.

Să folosim formula de calcul a densității. În această formulă, există un volum al unei substanțe, pe baza căruia se pot determina dimensiunile liniare.

Decizie

Prin definiție: ρ = m: V, dar această formulă nu conține valoarea dorită, așa că folosim:

Înlocuind în formula principală, obținem: ρ = m: Sh, de unde:

Să calculăm: h \u003d 5 g: (500 cm 2 x 8,92 g / cm 3) \u003d 0,0011 cm \u003d 11 microni.

Răspuns: grosimea stratului de cupru este de 11 µm.

Determinarea experimentală a densității

Natura experimentală a științei fizice este demonstrată în cursul experimentelor de laborator. În această etapă, sunt dobândite abilitățile de a efectua un experiment, de a explica rezultatele acestuia.

O sarcină practică pentru determinarea densității unei substanțe include:

• Determinarea densității unui lichid. În această etapă, băieții care au folosit deja un cilindru de măsurare înainte pot determina cu ușurință densitatea unui lichid folosind o formulă.
• Determinarea densității substanței unui corp solid de formă regulată. Această sarcină este, de asemenea, fără îndoială, deoarece probleme de calcul similare au fost deja luate în considerare și s-a acumulat experiență în măsurarea volumelor prin dimensiunile liniare ale corpurilor.
• Determinarea densității unui corp solid de formă neregulată. Când îndeplinim această sarcină, folosim metoda de determinare a volumului unui corp de formă neregulată folosind un pahar. Este util să ne amintim încă o dată caracteristicile acestei metode: capacitatea unui corp solid de a deplasa un lichid al cărui volum este egal cu volumul corpului. În plus, sarcina este rezolvată în mod standard.

Sarcini de complexitate crescută

Puteți complica sarcina invitând copiii să determine substanța din care este făcut corpul. Tabelul de densitate al substanțelor utilizate în acest caz vă permite să acordați atenție necesității de a putea lucra cu informații de referință.

La rezolvarea problemelor experimentale, studenților li se cere să aibă cunoștințele necesare în domeniul utilizării și conversiei unităților de măsură. Adesea, aceasta este ceea ce cauzează cel mai mare număr de erori și deficiențe. Poate că această etapă a studiului fizicii ar trebui să i se acorde mai mult timp, vă permite să comparați cunoștințele și experiența studiului.

Densitate în vrac

Studiul unei substanțe pure este, desigur, interesant, dar cât de des se găsesc substanțe pure? În viața de zi cu zi, întâlnim amestecuri și aliaje. Cum să fii în acest caz? Conceptul de densitate în vrac nu va permite elevilor să facă o greșeală tipică și să utilizeze valorile medii ale densității substanțelor.

Este extrem de necesar să clarificăm această problemă, să oferim o oportunitate de a vedea, de a simți diferența dintre densitatea unei substanțe și densitatea în vrac este într-un stadiu incipient. Înțelegerea acestei diferențe este necesară în continuarea studiului fizicii.

Această diferență este extrem de interesantă în acest caz, este posibil să se permită copilului să studieze densitatea în vrac în funcție de compactarea materialului, de dimensiunea particulelor individuale (pietriș, nisip etc.) în timpul activității inițiale de cercetare.

Densitatea relativă a substanțelor

Comparația proprietăților diferitelor substanțe este destul de interesantă pe baza densității relative a unei substanțe - una dintre aceste cantități.

De obicei, densitatea relativă a unei substanțe este determinată în raport cu apa distilată. Ca raport dintre densitatea unei substanțe date și densitatea unui standard, această valoare este determinată cu ajutorul unui picnometru. Dar aceste informații nu sunt folosite în cursul școlar de științe naturale, sunt interesante pentru studiu profund (cel mai adesea opțional).

Nivelul olimpiadei de studiere a fizicii și chimiei poate fi, de asemenea, afectat de conceptul de „densitate relativă a unei substanțe în raport cu hidrogenul”. Se aplică de obicei gazelor. Pentru a determina densitatea relativă a unui gaz, raportul dintre masa molară a gazului de testare și utilizarea nu este exclus.

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, cântărind doi cilindri de substanțe diferite - aluminiu și plumb, vom vedea că masa aluminiului este mai mică decât masa cilindrului de plumb.

În același timp, corpurile cu aceleași mase, formate din substanțe diferite, au volume diferite. Deci, o bară de fier cu o masă de 1 t ocupă un volum de 0,13 m 3, iar gheața cu o masă de 1 t - un volum de 1,1 m 3. 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 care este masa unei substanțe, luată într-un anumit volum. Adică, dacă se cunosc masa corpului și volumul acestuia, se poate determina densitatea. Pentru a afla densitatea unei substanțe, este necesar să împărțim masa corpului la volumul său.

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

Densitatea unor solide, lichide și gaze este dată în tabele.

Densitățile unor solide (la presiune atm. standard, t = 20 ° C).

Densitățile unor lichide (la norm. atm. presiune t =20 ° C).

Totul în jurul nostru este alcătuit din diferite substanțe. Navele și băile sunt construite din lemn, fiarele de călcat și paturile pliante sunt din fier, cauciucurile pe roți și radierele pe creioane sunt din cauciuc. Și diferite articole au greutăți diferite - oricare dintre noi va aduce cu ușurință de pe piață un pepene galben copt, dar va trebui să transpirați peste o greutate de aceeași dimensiune.

Toată lumea își amintește de celebra glumă: „Ce 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 pentru aceeași dimensiune? Sau invers, aceeași greutate pentru diferite dimensiuni? Evident, există o caracteristică care face substanțele atât de diferite unele de altele. În fizică, această caracteristică se numește densitatea materiei și este promovată în clasa a șaptea.

Densitatea materiei: definiție și formulă

Definiția densității unei substanțe este următoarea: densitatea arată cu ce este egală masa unei substanțe într-o unitate de volum, de exemplu, într-un metru cub. Deci, densitatea apei este de 1000 kg/m3, iar gheața - 900 kg/m3, motiv pentru care gheața este mai ușoară și se află deasupra iernii pe rezervoare. Adică ce ne arată densitatea materiei în acest caz? Densitatea gheții egală cu 900 kg/m3 înseamnă că un cub de gheață cu laturile de 1 metru cântărește 900 kg. Și formula pentru determinarea densității unei substanțe este următoarea: densitate \u003d masă / volum. Mărimile incluse în această expresie se notează astfel: masa - m, volumul corpului -V, iar densitatea se notează cu litera ρ (litera greacă „ro”). 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 corpului și greutatea corporală. Adică măsuram substanța, o cântărim și apoi pur și simplu substituim datele obținute în formulă și găsim valoarea de care avem nevoie. Și cum se măsoară densitatea unei substanțe este clar din formulă. Se măsoară în kilograme pe metru cub. Uneori folosesc și o astfel de valoare ca un gram 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 \u003d 1000 kg / m ^ 3. De asemenea, trebuie amintit că densitatea unei substanțe este diferită în diferite stări de agregare. Adică solid, lichid sau gazos. Densitatea solidelor, cel mai adesea, este 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 știți, 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 coloană mică de apă, viața ar exista sub forma mai multor tipuri de bacterii. Așa că putem să-i mulțumim apei pentru faptul că existăm.