Ας εξετάσουμε στο άρθρο πώς να βρείτε την πυκνότητα και τι είναι. Στο σχεδιασμό πολλών κατασκευών και οχημάτων, λαμβάνονται υπόψη ορισμένα φυσικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα συγκεκριμένο υλικό. Ένα από αυτά είναι η πυκνότητα.
Μάζα και όγκος
Αποκρυπτογραφήστε την έννοια δύο φυσικών μεγεθών που σχετίζονται άμεσα με αυτό - αυτή είναι η μάζα και ο όγκος. Πριν απαντήσουμε στην ερώτηση πώς να βρούμε την πυκνότητα.
Η μάζα είναι ένα χαρακτηριστικό που περιγράφει τις αδρανειακές ιδιότητες των σωμάτων και την ικανότητά τους να δείχνουν βαρυτική έλξη μεταξύ τους. Η μάζα μετριέται σε κιλά στο σύστημα SI.
Οι έννοιες της αδρανειακής και βαρυτικής μάζας εισήχθησαν για πρώτη φορά στη φυσική από τον Ισαάκ Νεύτωνα όταν διατύπωσε τους νόμους της μηχανικής και της παγκόσμιας βαρύτητας.
Ο Ο όγκος είναι ένα αποκλειστικά γεωμετρικό χαρακτηριστικό του σώματος, το οποίο αντανακλά ποσοτικά το μέρος του χώρου που καταλαμβάνει. Ο όγκος μετριέται σε κυβικές μονάδες μήκους, για παράδειγμα, σε SI είναι μέτρα σε κύβους.
Για σώματα γνωστού σχήματος(παραλληλεπίπεδο, μπάλα, πυραμίδα) αυτή η τιμή μπορεί να προσδιοριστεί με ειδικούς τύπους, για αντικείμενα ακανόνιστου γεωμετρικού σχήματος, ο όγκος προσδιορίζεται βυθίζοντάς τα σε ένα υγρό.
Πυκνότητα φυσικής ποσότητας
Τώρα μπορείτε να πάτε απευθείας στην απάντηση στην ερώτηση πώς να βρείτε την πυκνότητα. Αυτό το χαρακτηριστικό καθορίζεται από την αναλογία της μάζας σώματος προς τον όγκο που καταλαμβάνει, η οποία γράφεται μαθηματικά ως εξής:
ρ=m/V.
Αυτή η ισότητα δείχνει τις μονάδες του ρ (kg/m3). Έτσι, η πυκνότητα, η μάζα και ο όγκος σχετίζονται με μία μόνο ισότητα και η τιμή του ρ για οποιοδήποτε υλικό δείχνει τη συγκέντρωση όγκου της μάζας του.
Ας δώσουμε ένα απλό παράδειγμα: αν πάρετε στο χέρι σας πλαστικές και σιδερένιες μπάλες ίδιου μεγέθους, τότε η δεύτερη θα έχει πολύ μεγαλύτερο βάρος από την πρώτη. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην υψηλή πυκνότητα του σιδήρου σε σύγκριση με αυτή του πλαστικού.
Μία από τις κύριες εκδηλώσεις του λόγου των πυκνοτήτων στη φύση θα είναι η άνωση των σωμάτων. Εάν το σώμα έχει μικρότερη πυκνότητα από το υγρό, τότε δεν θα βυθιστεί ποτέ σε αυτό.
Πυκνότητα υλικών
Όταν μιλάμε για την πυκνότητα ορισμένων υλικών, εννοούμε τα στερεά. Τα αέρια και τα υγρά έχουν επίσης μια συγκεκριμένη πυκνότητα, αλλά δεν θα μιλήσουμε για αυτά εδώ.
Τα στερεά υλικά μπορεί να είναι είτε κρυσταλλικά είτε άμορφα. Η τιμή του ρ εξαρτάται από τη δομή, τις διατομικές αποστάσεις και τις ατομικές και μοριακές μάζες των υλικών. Για παράδειγμα, όλα τα μέταλλα είναι κρύσταλλα και το γυαλί ή το ξύλο έχουνάμορφη δομή. Παρακάτω είναι ένας πίνακας με την πυκνότητα των διαφόρων τύπων ξύλου.
Λάβετε υπόψη ότι σε αυτήν την περίπτωση δίνεται η μέση πυκνότητα. Στην πραγματική ζωή, κάθε δέντρο έχει μοναδικά χαρακτηριστικά, όπως κενά, πόρους και την παρουσία ενός συγκεκριμένου ποσοστού υγρασίας στο ξύλο.
Ακολουθεί ένας άλλος πίνακας. Σε αυτό, σε g/cm3 δίνονται οι πυκνότητες όλων των καθαρών χημικών στοιχείων που βρίσκονται σε θερμοκρασία δωματίου.
Μπορεί να φανεί από τον πίνακα ότι όλα τα στοιχεία έχουν πυκνότητα μεγαλύτερη από αυτή του νερού. Η εξαίρεση είναι μόνο τρία μέταλλα - το λίθιο, το κάλιο και το νάτριο, τα οποία δεν βυθίζονται, αλλά επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού.
Πώς μετράται πειραματικά η πυκνότητα;
Στην πραγματικότητα, υπάρχουν δύο τεχνικές για τον προσδιορισμό του υπό μελέτη χαρακτηριστικού. Το πρώτο είναι να ζυγίσουμε απευθείας το σώμα και να μετρήσουμε τις γραμμικές του διαστάσεις.
Αν το γεωμετρικό σχήμα του σώματος είναι πολύπλοκο, τότε χρησιμοποιείται η λεγόμενη υδροστατική μέθοδος.
Η ουσία του είναι η εξής: πρώτα ζυγίστε το σώμα στον αέρα. Ας υποθέσουμε ότι το βάρος που προέκυψε ήταν P1. Μετά από αυτό, το σώμα ζυγίζεται σε ένα υγρό με γνωστή πυκνότητα ρl. Αφήστε το βάρος του σώματος στο υγρό να είναι P2. Τότε η τιμή της πυκνότητας ρ του υπό μελέτη υλικού θα είναι:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Αυτή η φόρμουλα μπορεί να αποκτηθεί από κάθε μαθητή μόνος του εάν λάβει υπόψη του τον νόμο του Αρχιμήδηγια την περιγραφόμενη περίπτωση.
Ιστορικά, πιστεύεται ότι για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε υδροστατική ζύγιση από τον Έλληνα φιλόσοφο Αρχιμήδη για να καθορίσει το ψεύτικο χρυσό στέμμα. Οι πρώτοι υδροστατικοί ζυγοί εφευρέθηκαν από τον Galileo Galilei στα τέλη του 16ου αιώνα. Επί του παρόντος, τα ηλεκτρονικά πυκνόμετρα και οι μετρητές πυκνότητας χρησιμοποιούνται ευρέως για τον πειραματικό προσδιορισμό της τιμής του ρ σε υγρά, στερεά και αέρια.
Θεωρητικός ορισμός της πυκνότητας
Το ερώτημα πώς να βρεθεί η πυκνότητα πειραματικά συζητήθηκε παραπάνω. Ωστόσο, αυτό το ρ ενός άγνωστου υλικού μπορεί να βρεθεί θεωρητικά. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τον τύπο του κρυσταλλικού πλέγματος, τις παραμέτρους αυτού του πλέγματος, καθώς και τη μάζα των ατόμων που το σχηματίζουν. Δεδομένου ότι κάθε στοιχειώδες κρυσταλλικό πλέγμα έχει ένα συγκεκριμένο γεωμετρικό σχήμα, είναι εύκολο να βρεθεί ένας τύπος για τον προσδιορισμό του όγκου του.
Αν ένα κρυσταλλικό υλικό αποτελείται από πολλά χημικά στοιχεία, όπως κράματα μετάλλων, τότε η μέση πυκνότητά του μπορεί να προσδιοριστεί από τον ακόλουθο απλό τύπο:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Όπου mi, ρi είναι η μάζα και η πυκνότητα της i-ης συνιστώσας, αντίστοιχα.
Εάν το υλικό έχει άμορφη δομή, τότε θεωρητικά δεν θα είναι δυνατός ο ακριβής προσδιορισμός της πυκνότητάς του και πρέπει να χρησιμοποιηθούν πειραματικές τεχνικές.
