Любое физическое тело имеет некоторую массу. Определить массу тела можно с помощью весов – путем взвешивания. А также и более сложным способом – при взаимодействии двух тел, зная их скорости, и массу одного из них. Согласитесь, что первый способ – более легкий и практичный.
Тела имеют разные характеристики: разные размеры и формы, разные материалы, разные состояния и структуру (жидкие, твердые и газообразные), разные массы.
Сегодня мы познакомимся с такой характеристикой как плотность, она покажет и объяснит нам, как может различаться масса тел одинаковой формы и размера.
Опытное подтверждение
Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 1.
Рисунок 1. Взвешивание двух одинаковых тел, состоящих из разных веществ.
Возьмем два одинаковых цилиндра: они одинаковой формы и объема, но изготовлены из разных материалов.
Один сделан из алюминия, а другой из свинца. Поместим их на разные чаши весов.
В итоге, мы увидим, что масса цилиндра из алюминия будет почти в 4 раза меньше массы цилиндра из свинца.
Тела, имеющие равные объемы, но состоящие из разных веществ, имеют разные массы.
На рисунке изображены 3 тела массой 100 г: лед, железо и золото.
Рисунок 2. Тела одинаковой массы, но состоящие из разных веществ.
Здесь представлены тела одинаковой массы, но взгляните на их объем. Объем льда будет почти в 8,5 раз больше объема куска железа той же массы. А объем золота будет почти в 3 раза меньше объема железа.
Тела с равными массами, но состоящие из разных веществ, имеют разные объемы.
Определение плотности вещества
Вышерассмотренные свойства веществ, из которых состоят тела, объясняется тем, что разные вещества имеют разную плотность.
На рисунке 3 приведены другие примеры тел равного объема, но состоящих из разных веществ.
Рисунок 3. Тела равного объема, состоящие из разных веществ.
Плотность – это физическая величина, которая равна отношению массы тела к его объему:
$$плотность = \frac<масса><объем>$$
$$\rho = \frac$$
Единицы измерения плотности
В СИ плотность вещества измеряется в килограммах на кубический метр ($1 \frac<кг><м^3>$).
Также часто используется другая единица измерения – граммы на кубический сантиметр ($1 \frac<г><см^3>$) (рисунок 4).
Таблицы плотности некоторых тел и веществ
Плотность одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях различна.
Рисунок 5. Плотности одного вещества в разных агрегатных состояниях.
Плотности различных твердых тел
Твердое тело
$\rho, \frac<кг><м^3>$
$\rho, \frac<г><см^3>$
Твердое тело
$\rho, \frac<кг><м^3>$
$\rho, \frac<г><см^3>$
Осмий
22 600
22,6
Мрамор
2700
2,7
Иридий
22 400
22,4
Стекло
2500
2,5
Платина
21 500
21,5
Фарфор
2300
2,3
Золото
19 300
19,3
Бетон
2300
2,3
Свинец
11 300
11,3
Кирпич
1800
1,8
Серебро
10 500
10,5
Сахар
1600
1,6
Медь
8900
8,9
Оргстекло
1200
1,2
Латунь
8500
8,5
Капрон
1100
1,1
Сталь, железо
7800
7,8
Полиэтилен
920
0,92
Олово
7300
7,3
Парафин
900
0,90
Цинк
7100
7,1
Лед
900
0,90
Чугун
7000
7,0
Дуб сухой
700
0,70
Корунд
4000
4,0
Сосна сухая
400
0,40
Алюминий
2700
2,7
Пробка
240
0,24
Таблица 1
Плотности различных жидкостей
Плотности различных газов
Примеры расчета плотности вещества
2. Канистра объемом 30 л наполнена бензином. Масса полной канистры составляет 21,3 кг. Рассчитайте плотность бензина.
Переведем литры в кубические метры ($1 л = 0,001 м^3$):
$30 \cdot 0,001 = 0,03 м^3$.
Дано: $V = 30 л$ $m = 21,3 кг$
Показать решение и ответ
Решение:
Если мы сравним полученное значение с табличным, то получим подтверждение, что задача решена верно.
3. Деревянный брусок из березы имеет следующие размеры: длину 3 м, высоту 10 см, и ширину 50 см. Масса бруска составляет 75 кг. Найдите плотность березы.
Статья находится на проверке у методистов Skysmart. Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).
Масса
Начнем с самого сложного — с массы. Казалось бы, это понятие мы слышим с самого детства, примерно знаем, сколько в нас килограмм, и ничего сложного здесь быть не может. На самом деле, все сложнее.
В Международном бюро мер и весов в Париже есть цилиндр массой один килограмм. Материал этого цилиндра — сплав иридия и платины. Его масса равна одному килограмму, и этот цилиндр — эталон для всего мира.
Высота этого цилиндра приблизительно равна 4 см, но чтобы его поднять, нужно приложить немалую силу. Необходимость эту силу прикладывать обуславливается инерцией тел и математически записывается через второй закон Ньютона.
Второй закон Ньютона
F = ma
В этом законе массу можно считать неким коэффициентом, который связывает ускорение и силу. Также масса важна при расчете силы тяготения. Она является мерой гравитации: именно благодаря ей тела притягиваются друг к другу.
Закон Всемирного тяготения
F = GMm/R2
M — масса первого тела (часто планеты) [кг]
m — масса второго тела [кг]
R — расстояние между телами [м]
G — гравитационная постоянная
G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2
Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз. Когда думаешь об этом, хочется взвешиваться исключительно на Луне🙃
Откуда берется масса
Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона, например, масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю.
Вселенная без массы представляла бы собой хаос из различных излучений, двигающихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет. Здорово, что это не так, и у элементарных частиц есть масса. Только вот пока непонятно, откуда эта масса у них берется.
Мужчину на этой фотографии зовут Питер Хиггс. Ему мы обязаны за предположение, экспериментально доказанное в 2012 году, что массу всех частиц создает некий бозон.
Бозон Хиггса невозможно представить. Это точно не частица в форме шарика, как обычно рисуют электрон в учебнике. Представьте, что вы бежите по песку. Бежать ощутимо сложно, как будто бы увеличилась масса. Частицы пробираются в поле Хиггса и получают таким образом массу.
Объем тела
Объем — это физическая величина, которая показывает, сколько пространства занимает тело. Это важный навык — уметь объемы соотносить. Например, чтобы посчитать, сколько пластиковых шариков помещается в гигантский бассейн.
Например, чтобы рассчитать объем прямоугольного параллелепипеда, нам нужно перемножить три его параметра.
Формула объема параллелепипеда
V = a*b*c
А для цилиндра будет справедлива такая формула:
Формула объема цилиндра
V = S*h
S — площадь основания [м^2]
Плотность вещества
Плотность — скалярная физическая величина. Определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.
Формула плотности вещества
р — плотность вещества [кг/м^3]
m — масса вещества [кг]
V — объем вещества [м^3]
Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.
Ниже представлены значения плотностей для разных веществ. В дальнейшем это поможет при решении задач.
Окружающие нас тела состоят из различных веществ: железа, дерева, резины и пр. Масса любого тела зависит не только от его размеров, но и от вещества, из которого оно состоит. Тела одинакового объема, состоящие из разных веществ, имеют разные массы. Например, взвесив два цилиндра из разных веществ – алюминия и свинца, увидим, что масса алюминиевого меньше массы свинцового цилиндра.
Отсюда следует, что тела с одинаковым объемом, состоящие из разных веществ, имеют разные массы.
Плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в определенном объеме. То есть, если известна масса тела и его объем, можно определить плотность. Чтобы найти плотность вещества, надо массу тела разделить на его объем.
Обозначим данные величины буквами: плотность – ρ, масса тела – m, объем – V. Получим формулу вычисления плотности: ρ = m/V.
Единицей плотности вещества в СИ является килограмм на кубический метр (1кг/м 3 ).
Плотность одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях различна.
Плотность некоторых твердых тел, жидкостей и газов приведена в таблицах.
Плотности некоторых твердых тел (при норм. атм. давл., t = 20 ° C ).
Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Более строгое определение плотности требует уточнение формулировки:
Содержание
Виды плотности и единицы измерения
Исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС.
Для сыпучих и пористых тел различают:
Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме.
Формула нахождения плотности
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:
где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.
Плотность тела в точке записывается как тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от места) рассчитывается как
Зависимость плотности от температуры
Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.
Диапазон плотностей в природе
Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.
Плотности астрономических объектов
Средние плотности планет Солнечной системы и Солнца:
Плотности некоторых газов
Плотность газов и паров (0 °C, 101325 Па), кг/м³
Азот
1,250
Кислород
1,429
Аммиак
0,771
Криптон
3,743
Аргон
1,784
Ксенон
5,851
Водород
0,090
Метан
0,717
Водяной пар (100 °C)
0,598
Неон
0,900
Воздух
1,293
Углекислый газ
1,977
Хлор
3,164
Гелий
0,178
Этилен
1,260
Плотности некоторых жидкостей
Плотность жидкостей, г/см³
Бензин
0,74
Молоко
1,04
Вода (4 °C)
1,00
Ртуть (0 °C)
13,60
Керосин
0,82
Эфир
0,72
Глицерин
1,26
Спирт
0,80
Морская вода
1,03
Скипидар
0,86
Масло оливковое
0,92
Ацетон
0,792
Масло машинное
0,91
Серная кислота
1,84
Нефть
0,81—0,85
Жидкий водород (−253 °C)
0,07
Плотность некоторых пород древесины
Плотность древесины, г/см³
Бальса
0,15
Пихта сибирская
0,39
Секвойя вечнозелёная
0,41
Ель
0,45
Ива
0,46
Ольха
0,49
Осина
0,51
Сосна
0,52
Липа
0,53
Конский каштан
0,56
Каштан съедобный
0,59
Кипарис
0,60
Черёмуха
0,61
Лещина
0,63
Грецкий орех
0,64
Берёза
0,65
Вишня
0,66
Вяз гладкий
0,66
Лиственница
0,66
Клён полевой
0,67
Тиковое дерево
0,67
Бук
0,68
Груша
0,69
Дуб
0,69
Свитения (Махагони)
0,70
Платан
0,70
Жостер (крушина)
0,71
Тис
0,75
Ясень
0,75
Слива
0,80
Сирень
0,80
Боярышник
0,80
Пекан (кария)
0,83
Сандаловое дерево
0,90
Самшит
0,96
Эбеновое дерево
1,08
Квебрахо
1,21
Бакаут
1,28
Пробка
0,48
Измерение плотности
Для измерения плотности используются:
См. также
Примечания
Ссылки
Источники
Полезное
Смотреть что такое «Плотность» в других словарях:
ПЛОТНОСТЬ — ПЛОТНОСТЬ, плотности, жен. 1. только ед. отвлеч. сущ. к плотный. Плотность населения. Плотность ткани. Плотность воздуха. Плотность огня (воен.). 2. Масса какого нибудь тела, заключенная в единице его объема (физ.). За единицу плотности… … Толковый словарь Ушакова
ПЛОТНОСТЬ — (r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют относительно плотности дистиллированной воды). Малой плотностью… … Современная энциклопедия
ПЛОТНОСТЬ — (обозначение r) отношение массы к объему для данного вещества, обычно выражаемое в единицах СИ как килограммы на кубический метр (кг/м 1). Эта величина является показателем концентрации частиц в материале. Плотность твердого или жидкого вещества… … Научно-технический энциклопедический словарь
плотность — густота, концентрация; массивность, тесность, коренастость, тучность, насыщенность, кряжистость, компактность, уплотненность, кучность Словарь русских синонимов. плотность компактность Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М … Словарь синонимов
плотность — (density) – это отношение массы тела к его объему. Выражается в кг/дм3 или в кг/м3. Объем зависит от температуры (в большой степени) и давления (в небольшой степени), следовательно, вязкость тоже зависит от этих параметров. С ростом температуры и … Автомобильный словарь
Плотность — (r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют относительно плотности дистиллированной воды). Малой плотностью… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Плотность — – характеристика вещества, определяемая отношением массы вещества, заключенной в некотором объеме, к величине этого объема. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург 2002] Плотность – масса единичного объема … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
ПЛОТНОСТЬ — (1) вещества (объёмная) одна из основных физ. характеристик вещества, в нормальных условиях численно равная отношению массы т однородного тела к его объёму V, обозначается р. В СИ выражается в кг/м3. П. вещества растёт с увеличением давления и,… … Большая политехническая энциклопедия
ПЛОТНОСТЬ — (?) масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют относительно плотности дистиллированной воды) … Большой Энциклопедический словарь
ПЛОТНОСТЬ — (r), величина, определяемая для однородного в ва его массой в единице объёма. П. неоднородного в ва в определённой точке предел отношения массы т тела к его объёму V, когда объём стягивается к этой точке. Средняя П. неоднородного тела также есть… … Физическая энциклопедия
ПЛОТНОСТЬ — (Density) масса данного тела, заключенная в единице объема. За единицу плотности принимается плотность воды при 4° Цельсия. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
Окружающие тела состоят из веществ, масса каждого зависит от размера, объема и других критериев.
Плотность вещества показывает численное выражение массы тела в определенном объеме.
Существуют разные виды скалярной физической величины.
Общая характеристика
Каждый элемент занимает индивидуальную величину. Определение плотности может обозначаться греческой буквой ρ, D или d. Если объемы двух тел одинаковы, а массы различны, тогда плотности не идентичны.
Основные понятия
Определения и характеристики показателя известны с 7 класса школьной программы химии. Плотность представляет собой физическую величину о свойствах вещества. Это удельный вес любого элемента. Существует средняя и относительная плотность. Последняя классификация — это отношение плотности (П) вещества к П эталонного вещества. Часто за эталон принимают дистиллированную воду. Единица измерения П- кг/м3 в интернациональной системе.
Формула нахождения плотности:
Обозначения:
Кроме стандартной формулы плотности, применяемой для твердых состояний веществ, имеется формула для газообразных элементов в нормальных условиях.
Расшифровка:
Для сыпучих и пористых тел различают истинную плотность, вычисляемую без учета пустот, и удельную плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему объему. Истинную П получают через коэффициент пористости — доли объема пустот в занимаемом объеме. Для сыпучих тел удельная П называется насыпной.
Низкие показатели П имеет среда между Галактиками (1033 кг/м3).
Способы измерения:
Вещества состоят из молекулярных структур, масса тела формируется из скопления молекул. Аналогично вес пакета с карамелью складывается из масс всех конфет в мешке. Если все сладости одинаковые, то массу упаковки определяют умножением веса одной конфеты на количество штук.
Молекулярные частицы чистого вещества одинаковы, поэтому вес капли воды равен произведению массы 1 молекулы Н2О на число составляющих молекул в капле. Плотность вещества показывает, чему равна масса одного кубического метра.
П льда составляет 900 кг/м³, это значит, что вес кубического метра льда равна 900 кг. Употребляют единицу измерения плотности г/см3.
При равнозначности физических масс двух тел их объемы различаются. Например, объём льда в девять раз больше объема бруска из металлического сплава. Масса тела распределяется неодинаково, устанавливает П в каждой точке тела.
Влияние факторов
П зависит от давления и температуры. При высоком давлении молекулы плотно прилегают друг к другу, поэтому вещество обладает значительной плотностью.
Зависимость показателей учитывается при расчете П. При повышении температуры П снижается из-за термического расширения, при котором объем вырастает, а масса остается прежней. Если температура снижается, П увеличивается, хотя имеются вещества, П которых при некоторых условиях температурного режима ведет себя иначе. Это вода, бронза, чугун. При фазовом переходе, модифицировании агрегатного состояния П меняется скачками. Условия вычисления зависят от свойств веществ, молекулярных элементов. Для разных природных объектов П изменяется в широком диапазоне.
П воды ниже П льда из-за молекулярной структуры твердой формы жидкости. Вещество, переходя из жидкой в твердую форму, изменяет молекулярную структуру, расстояние между составными частицами сужается и плотность увеличивается. Зимой, если забыть слить воду из труб, их разрывает на части после замерзания. На П Н2О влияют примеси. У морской воды знак П выше, чем у пресной. При соединении в одном стакане двух типов жидкости пресная останется на поверхности. Чем выше концентрация соли, тем больше П воды.
Когда плотность вещества больше П воды, оно полностью погрузится в воду. Предметы, сделанные из материала по низкой П, будут плавать на поверхности воды. На практике эти свойства используются человеком. Сооружая суда, инженеры-проектировщики применяют материалы с высокой П. Корабли, теплоходы, яхты смогут затонуть во время плавания, в корпусах суден создают специальные полости, наполненные воздухом, ведь его П ниже плотности воды.
Чтобы наживка для рыбалки погрузилась в воду, ее обременяют тяжелым по плотности материалом, например, грузиком из металла (чаще свинца). Плотность сплава выше, чем у Н2О.
Жирные пятна масла, нефти, бензина остаются на поверхности воды из-за низкой П маслянистых веществ.
Практическое применение
Из учебников химии и физики вычисляют уровень плотности по формуле. Но также это можно сделать, используя онлайн-систему.
Значение показателя
Окружающий мир состоит из разных веществ.
Скамейка в парке или баня за городом сооружены из древесины, подошва утюга, сковорода выполнены из металла, покрышка колеса, велосипеда — из резины. Каждый предмет имеет свой вес.
Черные дыры Вселенной составляют наибольшую плотность 1014 кг/м3. Самый низкий показатель имеет область между Галактиками (2•10−31—5•10−31 кг/м³).
Таблица плотности веществ
П металлов изменяется от минимального значения у лития, который легче Н2О, до максимального значения у осмия, который тяжелее драгоценных металлов.
Способы расчета и примеры
В сети Интернет существует множество приложений для онлайн-расчета плотности веществ или материалов. В стандартные поля калькулятора вводится основная информация: масса, объем, единицы измерения. Плотность вычисляется автоматически по заданным параметрам и выводится на экран интерфейса. Можно перевести информативные данные в нужную единицу измерения.
Без использования учебной информации показатель П можно определить через физические опыты. Для лабораторных изучений нужны весы, сантиметр, если исследуемое тело находится в твердом состоянии. Для жидкости необходима колба.
Сначала измеряют объем тела, записывая результат по цифровой шкале (в сантиметрах или миллилитрах).
Вычисляя объем деревянного бруска квадратной формы, параметр стороны возводится в третью степень. Измеряя объемные характеристики, тело ставят на весы и записывают значение массы. Рассчитывая жидкое состояние, учитывают массу сосуда, куда помещено исследуемое. В формулу подставляют данные и рассчитывают показатель.
Поскольку П измеряется в кг/л или в г/см³, то иногда приходится пересчитывать одни величины в другие.
Пример 1:
Пример 2:
Нужно перевести см 3 в кубические метры, а граммы — в килограммы.
Показатель имеет большое значение в разных сферах жизни и деятельности. Он определяется по таблице или высчитывается расчетным путем.
Рисунок 1. Взвешивание двух одинаковых тел, состоящих из разных веществ.
Рисунок 2. Тела одинаковой массы, но состоящие из разных веществ.
Рисунок 3. Тела равного объема, состоящие из разных веществ.
Рисунок 5. Плотности одного вещества в разных агрегатных состояниях.
тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от места) рассчитывается как 
