Miután a tanulók megismerkedtek az anyagok tömegének és térfogatának fizika fogalmával, tanulmányozzák bármely test egy fontos jellemzőjét, amelyet sűrűségnek neveznek. Az alábbi cikk ennek az értéknek szól. Az alábbiakban a sűrűség fizikai jelentésének kérdéseit tárjuk fel. A sűrűség képlete is adott. Kísérleti mérési módszereit ismertetjük.
A sűrűség fogalma
Kezdjük a cikket az anyagsűrűség képletének közvetlen rögzítésével. Így néz ki:
ρ=m / V.
Itt m a vizsgált test tömege. Az SI-rendszerben kilogrammban van kifejezve. A feladatokban és a gyakorlatban más mértékegységeket is találhatunk, például grammot vagy tonnát.
A képletben szereplő V szimbólum azt a térfogatot jelöli, amely a test geometriai paramétereit jellemzi. SI-ben mérik köbméterben, de köbkilométert, litert, millilitert stb. is használnak.
A sűrűségi képlet megmutatja, hogy egy egység mekkora tömegű anyagot tartalmazhangerő. A ρ értékét felhasználva meg lehet becsülni, hogy a két test közül melyik lesz nagyobb tömegű egyenlő térfogatú, vagy a két test közül melyik lesz nagyobb térfogatú egyenlő tömeggel. Például a fa kevésbé sűrű, mint a vas. Ezért ezeknek az anyagoknak egyenlő térfogata esetén a vas tömege jelentősen meg fogja haladni egy fa ugyanazt az értéket.
A relatív sűrűség fogalma
Ennek a mennyiségnek a neve már azt jelzi, hogy az egyik testre vonatkozó vizsgált értéket egy másik test hasonló jellemzőjéhez viszonyítva tekintjük. A ρr relatív sűrűség képlete így néz ki:
ρr=ρs / ρ0.
Ahol ρs a mért anyag sűrűsége, ρ0 az a sűrűség, amelyhez képest a ρ Az r értéke . Nyilvánvaló, hogy a ρr dimenzió nélküli. Megmutatja, hogy a mért anyag hányszor sűrűbb a kiválasztott szabványnál.
Folyadékokhoz és szilárd anyagokhoz standard ρ0 válassza ezt az értéket a 4 oC hőmérsékletű desztillált vízhez. Ezen a hőmérsékleten van a víz maximális sűrűsége, ami kényelmes érték a számításokhoz - 1000 kg/m3 vagy 1 kg/l.
Gázrendszereknél szokásos a légsűrűséget légköri nyomáson és 0 hőmérsékleten használni. oC.
A sűrűség függése a nyomástól és a hőmérséklettől
A vizsgált érték nem állandó egy adott test esetében,ha megváltoztatja a hőmérsékletét vagy a külső nyomását. A folyadékok és szilárd anyagok azonban sok helyzetben összenyomhatatlanok, ami azt jelenti, hogy sűrűségük állandó marad a nyomás és a hőmérséklet változása esetén is.
A nyomás hatása a következőképpen nyilvánul meg: ha növekszik, az átlagos interatomikus és intermolekuláris távolságok csökkennek, ami növeli az anyag egységnyi térfogatra jutó mólszámát. Tehát a sűrűség növekszik. A nyomásnak a vizsgált jellemzőre gyakorolt egyértelmű hatása gázok esetében figyelhető meg.
A hőmérséklet a nyomással ellentétes hatást fejt ki. A hőmérséklet emelkedésével az anyagrészecskék kinetikus energiája növekszik, aktívabban kezdenek mozogni, ami a köztük lévő átlagos távolságok növekedéséhez vezet. Ez utóbbi tény a sűrűség csökkenéséhez vezet.
Ez a hatás ismételten kifejezettebb gázoknál, mint folyadékoknál és szilárd anyagoknál. Van egy kivétel ez alól a szabály alól - ez a víz. Kísérletileg megállapították, hogy a 0-4 oС hőmérséklet-tartományban sűrűsége melegítéssel nő.
Homogén és inhomogén testek
A fent leírt sűrűségképlet megfelel a vizsgált test úgynevezett átlagos ρ-jének. Ha kis térfogatot rendelünk hozzá, akkor a számított ρi érték jelentősen eltérhet az előző értéktől. Ez a tény a tömeg térfogaton belüli nem egyenletes eloszlásával függ össze. Ebben az esetben a sűrűségρi a helyi neve.
Figyelembe véve az anyag nem egyenletes eloszlásának kérdését, érdekesnek tűnik egy pont tisztázása. Amikor egy elemi térfogatot kezdünk el atomi léptékekhez közelíteni, akkor a közepes folytonosság fogalma sérül, ami azt jelenti, hogy nincs értelme a lokális sűrűségkarakterisztikát használni. Ismeretes, hogy az atom szinte teljes tömege a magjában koncentrálódik, amelynek sugara körülbelül 10-13 méter. A mag sűrűségét egy hatalmas számmal becsülik. Ez 2, 31017 kg/m3.
Sűrűségmérés
Fentebb látható volt, hogy a képlet szerint a sűrűség megegyezik a tömeg/térfogat arányával. Ez a tény lehetővé teszi, hogy meghatározzuk a megadott jellemzőt a test egyszerű lemérésével és geometriai paramétereinek mérésével.
Ha a test alakja nagyon összetett, akkor a sűrűség meghatározásának univerzális módszere a hidrosztatikus mérés. Arkhimédeszi erő alkalmazásán alapul. A módszer lényege egyszerű. A testet először levegőn, majd vízben mérik le. A tömegkülönbséget az ismeretlen sűrűség kiszámításához használjuk. Ehhez használja a következő képletet:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
ahol P0, Pl - testtömeg levegőben és folyadékban. Ennek megfelelően ρl a folyadék sűrűsége.
A hidrosztatikus mérés módszerét a sűrűség meghatározására a legenda szerint először egy szirakuszai filozófus alkalmazta. Archimedes. A korona fizikai épségének megsértése nélkül meg tudta állapítani, hogy nem csak aranyat, hanem más kevésbé sűrű fémeket is felhasználtak az előállításához.
