Fyzikální veličina"hustota". Jak najít hustotu experimentálně a teoreticky?

Zvažte v článku, Jak najít hustotu a co to je. Při navrhování mnoha konstrukcí a vozidel se bere v úvahu řada fyzikálních vlastností, které musí mít konkrétní materiál. Jednou z nich je hustota.

Hmotnost a objem

Dešifrujeme hodnotu dvou fyzikálních veličin, které s ní mají přímý vztah-jedná se o hmotnost a objem. Než odpovíme na otázku, jak najít hustotu.

Hmota se nazývá taková charakteristika, která popisuje setrvačné vlastnosti těles a jejich schopnost navzájem projevovat gravitační přitažlivost. Hmotnost se měří v kilogramech v systému SI.

Pojmy setrvačné a gravitační hmoty byly poprvé zavedeny do fyziky Isaacem Newtonem při formulaci zákonů mechaniky a univerzální gravitace.

Objem je výhradně geometrická charakteristika těla, která kvantitativně odráží část prostoru, který zabírá. Měří se objem v kubických jednotkách délky, například v SI jsou metry v krychli.

U těl známého tvaru (rovnoběžnostěn, koule, pyramida) lze tuto hodnotu určit pomocí speciálních vzorců, u objektů nepravidelného geometrického tvaru je objem určen jejich ponořením do kapaliny.

Fyzikální veličina hustota

Nyní můžete přejít přímo k odpovědi na otázku, jak najít hustotu. Tato charakteristika je určena poměrem tělesné hmotnosti k objemu, který zabírá, což je matematicky psáno takto:

ρ = m/V.

Tato rovnost ukazuje jednotky velikosti ρ (kg / m³). Hustota hmotnost a objem jsou tedy spojeny jednotnou rovností, přičemž velikost ρ pro jakýkoli materiál ukazuje objemovou koncentraci jeho hmotnosti.

Zde je jednoduchý příklad: pokud vezmete plastové a železné kuličky stejné velikosti do ruky, pak druhá bude mít mnohem větší váhu než první. Tato skutečnost souvisí s velkou hustotou železa ve srovnání s hustotou plastů.

Jedním z hlavních projevů poměru hustoty v přírodě bude vztlak těles. Pokud má tělo nižší hustotu než kapalina, nikdy se v něm neutopí.

Hustota materiálů

Když mluvíme o hustotě určitých materiálů, znamenají pevné látky. Plyny a kapaliny mají také určitou hustotu, ale zde o nich nebudeme mluvit.

Pevné materiály mohou mít krystalickou nebo amorfní strukturu. Velikost ρ závisí na struktuře, interatomických vzdálenostech a atomových a molekulárních hmotách materiálů. Například všechny kovy jsou krystaly a sklo nebo dřevo má amorfní strukturu. Níže uvádíme tabulku hustoty různých druhů stromů.

Upozorňujeme, že v tomto případě je uvedena průměrná hustota. V reálných podmínkách má každý strom jedinečné vlastnosti, včetně dutin, pórů a přítomnosti určitého procenta vlhkosti ve dřevě.

Níže je další tabulka. V něm v g / cm³ jsou uvedeny hustoty všech čistých chemických prvků, které jsou při pokojové teplotě.

Je vidět z tabulky, že všechny prvky mají hustotu větší než voda. Výjimkou jsou pouze tři kovy-lithium, draslík a sodík, které se nepotopí, ale plavou na hladině vody.

Jak experimentálně měřit hustotu?

V zásadě existují dvě techniky pro stanovení studované charakteristiky. První spočívá v přímém vážení těla a měření jeho lineárních rozměrů.

Pokud je geometrický tvar těla složitý, použijte takzvanou hydrostatickou metodu.

Jeho podstata je následující: nejprve váží tělo na vzduchu. Předpokládejme, že výsledná hmotnost byla P₁. Poté se tělo zváží v kapalině se známou hustotou ρ_l. Nechť tělesná hmotnost v tekutině je P₂. Hodnota hustoty ρ studovaného materiálu by pak byla:

ρ = ρ_l*P₁/(P₁-P₂).

Každý školák může tento vzorec získat sám, pokud pro popsaný případ zváží Archimédův zákon.

Historicky se předpokládá, že poprvé hydrostatické vážení použil řecký filozof Archimedes k určení padělání Zlaté koruny. První hydrostatické váhy vynalezl Galileo Galilei na konci 16. století. V současné době se pro experimentální stanovení velikosti ρ kapalin, pevných látek a plynů široce používají elektronické pyknometry a hustoměry.

Teoretická definice hustoty

Výše byla zvažována otázka, jak najít hustotu experimentálně. Tuto však lze najít ρ neznámého materiálu teoretickou cestou. K tomu je nutné znát typ krystalové mřížky, parametry této mřížky a hmotnost atomů, které ji tvoří. Protože každá elementární krystalová mřížka má určitý geometrický tvar, není těžké najít vzorec pro určení jejího objemu.

Pokud je krystalický materiál složen z několika chemických prvků, jako jsou kovové slitiny, lze jeho průměrnou hustotu určit následujícím jednoduchým vzorcem:

ρ = ∑m_i/∑(m_i/ρ_i).

Kde m_i, ρ_i - hmotnost a hustota i-té složky.

Pokud má materiál amorfní strukturu, nebude teoreticky možné přesně určit jeho hustotu a je nutné použít experimentální techniky.