Плотность вещества
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:
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.| 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.
Дано:
$а = 3 м$
$b = 10 см$
$c = 50 см$
$m = 75 кг$
Показать решение и ответ
Решение:
Найдем объем бруска:
$V = a \cdot b \cdot c = 3 м \cdot 0,1 м \cdot 0,5 м = 0,15 м^3$.
Содержание:
Условия плавания тел:
Вы уже знаете, что на погружённое в жидкость тело действуют две силы: сила тяжести 
Под действием этих сил тело будет двигаться в сторону большей силы. При этом возможные следующие случаи:
Рассмотренные условия плавания тел в каждом случае определяются соотношением между плотностями жидкости и погружённого тела.
Подводная лодка, опустившись на илистое дно, иногда с трудом может оторваться от него. Такое присасывание лодки ко дну возникает в том случае, когда лодка прижимается к грунту так, что между нею и грунтом нет воды. Значит, вода не давит на его нижнюю часть, т. е. не возникает выталкивающей силы.
Для выполнения подводных работ используют водолазные костюмы (рис. 145).
Пользуясь аквалангом, изобретённым известным исследователем морских глубин французским учёным Жаком-Ивом Кусто, человек может долго находиться в воде и свободно плавать (рис. 146).
Для исследования морей и океанов на больших глубинах используют батисферы и батискафы. Батисфера (от греческих слов батис — глубокий и сфера) — это очень прочный стальной шар с иллюминаторами (окнами) из толстого стекла. Внутри шара находятся исследователи, поддерживающие связь с кораблём. Батисферу опускают на стальном тросе.
Батискаф (от греческих слов батис — глубокий; скафос — судно) отличается от батисферы тем, что он не удерживается на тросе, а имеет собственный двигатель и может свободно перемещаться на больших глубинах (до 11 км) в любых направлениях (рис. 147).
Тело, имеющее меньшую плотность, чем некоторые жидкости, по-разному погружается в них. Это явление используют в ареометрах (от греческих слов араиос — жидкий и метрео — измеряю) — приборах для измерения плотности жидкости по глубине их погружения. Любой ареометр — это стеклянный поплавок в виде трубки с делениями и грузом внизу (рис. 148, а). Он погружается в жидкость тем глубже, чем меньше плотность жидкости. В нижней части ареометра может быть термометр для измерения температуры исследуемой жидкости.
Ареометры имеют ещё и другое название; их називають денсиметрами (от латинских слов денсус — густой и метрео). Денсиметрами можно измерять плотности жидкостей от 0,7 до 2,0 На рисунке 148, б изображены денсиметры разных видов:
Плавающее тело своей подводной частью вытесняет воду. Вес этой воды равней силе тяжести, действующей на это тело. Это справедливо и для любого судна. Вес воды, которую вытесняет подводная часть судна, равен силе тяжести, действующей на судно с грузом.
Все суда погружаются в воду на определённую глубину, называемую осадкой. Максимально допустимую осадку обозначают на корпусе судна красной линией, называемую ватерлинией (от голландского слова ватер — вода). Кроме ватерлинии на судах делают и другие пометки, обозначающие уровни погружения судна в разных морях и океанах в зависимости от времени года (рис. 149).
Это связано с тем, что плотность воды в различных местах Мирового океана разная, кроме того, она ещё зависит и от температуры воды (летом плотность меньше, чем зимой).
Каждое судно имеет свое водоизмещение. Водоизмещение судна — это вес вытесненной судном воды, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом при его погружении в воду.
Наибольшие суда используют для перевозки нефти, их называют танкерами. Водоизмещение таких судов достигает 5 ООО ООО ООО Н.
Свыше 200 лет отделяют нас от первых воздушных полётов человека. 5 мая 1783 г. — первая публичная демонстрация полёта оболочки, наполненной горячим воздухом. 21 ноября того же года французские изобретатели братья Жозеф и Этьенн Монгольфье осуществили первый полёт воздухоплавателей (рис. 150).
А через 10 дней французский физик Жак Шарль отправился в путешествие по воздушному океану на аэростате собственной конструкции, оболочка которого была наполнена водородом. Этот аэростат стал прообразом дирижаблей.
Для исследования верхних слоёв атмосферы на метеорологических станциях запускают небольшие, диаметром 1—2 м, воздушные шары-зонды (рис. 151). Они поднимаются на высоту до 35—40 км. К ним подвешивают приборы, посылающие по радио сигналы о высоте полёта, давлении, температуре воздуха. По направлению и скорости полёта шара можно определить направление и силу ветра на разных высотах. Сведения, получаемые с таких зондов, очень важны для прогнозирования погоды.
На рисунке 152 изображён управляемый летательный аппарат, который легче воздуха — дирижабль.
Этот аппарат приводят в движение винты, которые вращаются двигателями. Существенный недостаток аппаратов такого типа заключается в том, что их оболочка наполняется огнеопасным газом водородом. Воздушные шары, стратостаты, дирижабли, зонды поднимаются вверх за счёт того, что они наполнены газами, которые легче воздуха, и на них действует выталкивающая сила.
Кстати:
Условия плавания тел
Согласно закону Архимеда, на все тела, погруженные в жидкость, действуют выталкивающие силы, значение которых зависит от объемов этих тел и плотности жидкости. Таким образом, если тела имеют равные объемы, то и выталкивающие силы, действующие на них в данной жидкости, будут равными. Почему же тогда одни тела тонут в воде, а другие плавают?
Почему тела плавают или тонут
Для примера возьмем два шарика одинакового объема, но один металлический, а другой деревянный. Взвешивание их покажет, что вес деревянного шарика меньше веса металлического. Всплытие деревянного шарика, погруженного в жидкость, показывает, что равнодействующая силы тяжести и силы Архимеда направлена вверх, в направлении действия силы Архимеда. Таким образом, в этом случае сила Архимеда больше силы тяжести (рис. 112).
В случае с металлическим шариком равнодействующая направлена вниз, поскольку сила тяжести больше силы Архимеда (рис. 113).
При равности сил Архимеда и тяжести, действующих на погруженное в жидкость тело, равнодействующая равна нулю (рис. 114). Следовательно, в этом случае погруженное в жидкость тело будет находиться в равновесии в любой точке жидкости.
Однако измерить силу тяжести или силу Архимеда во всех случаях невозможно или это неудобно. Поэтому предсказать поведение тела в жидкости можно не всегда. Чтобы найти выход, сделаем расчеты.
Когда тела тонут в жидкости
Тело тонет, если его средняя плотность больше плотности жидкости.
На каждое тело в жидкости действуют две силы: сила Архимеда 
и сила тяжести 
Для случая, когда тело тонет в данной жидкости:
Налитая в стакан с водой ртуть опускается на дно (рис. 115).
Подобным образом различные суда могут плавать по поверхности воды. Вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу самого судна. Очевидно, что чем больший вес судна, тем больше глубина его погружения в воду.
Когда тела плавают в жидкости
Тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости.
Если тело плавает, то 
или 
Отсюда
Налитое в стакан подсолнечное масло всплывает на поверхность воды, так как его плотность меньше плотности воды (рис. 116). Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть в таблицу значений плотности на с. 53.
Плавание судов
Человек издавна мечтал о преодолении водного пространства. Сначала он приспосабливал для этого деревянные колоды, плоты, а затем начал строить деревянные лодки и корабли.
Для изготовления современных суден используют различные металлы. Из металла изготавливается корпус судна, его конструктивные элементы. Вместе с этим большой объем судна не заполнен металлом. Поэтому его средняя плотность меньше плотности воды.
При погружении нижней части судна в воду возникает сила Архимеда, равняющаяся весу вытесненной воды. При условиях плавания эта сила всегда равна весу судна. Если судно нагружают, его вес увеличивается, и оно начинает погружаться в воду. Чем глубже погружается судно, тем большей становится сила Архимеда. Когда она будет равной весу судна, оно прекращает погружаться. Глубину, на которую погружается судно в воду, называют осадкой судна.
Численно водотоннажность равна силе тяжести, действующей на судно с грузом. Самая большая водотоннажность у современных танкеров. Она достигает 5•10 6 кН и больше. Вместе с грузом масса этих суден 500 000 т и больше.
Если от водотоннажности вычесть вес судна, то получим вес груза, который это судно может перевезти. Это грузоподъемность судна.
Водный транспорт очень удобен и экономически выгоден. Перевозка грузов водным транспортом значительно дешевле, чем другими видами транспорта. Поэтому для дальнейшего его развития необходимо создавать более совершенные суда и одновременно заботиться о состоянии водных артерий страны, которым очень вредят промышленные выбросы и загрязнения (отходы) с судов.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
