Гидростатические весы: история создания, составные части, методика использования

Для определения плотности жидкостей и твердых веществ необходимо знать их массу и объем. Если с измерением массы нет никаких проблем, то точное значение объема тела можно найти, если оно имеет известную правильную геометрическую форму, например, форму призмы или пирамиды. В случае, если тело имеет произвольную форму, стандартными геометрическими средствами точно определить его объем нельзя. Тем не менее измерить значение плотности жидкого или твердого тела можно с высокой точностью с помощью гидростатических весов.

Историческая справка

Вопросом измерения объема и плотности тел человечество интересовалось с давних времен. Согласно сохранившимся историческим свидетельствам, отмеченную проблему впервые с успехом решил Архимед, когда справился с данным ему поручением определить, является ли золотая корона поддельной.

Архимед жил в III веке до нашей эры. После его открытия человечеству понадобилось почти 2000 лет, чтобы создать изобретение, использующее в своей работе физический принцип, сформулированный греком. Речь идет о гидростатических весах. Изобрел их Галилей в 1586 году. Эти весы долгое время оставались основным способом точного измерения плотности разных жидкостей и твердых материалов. Фото гидростатических весов Галилея показано ниже.

Впоследствии появилась их разновидность — весы Мора-Вестфаля. В них вместо двух одинаковых рычагов использовался только один, на который подвешивался измеряемый груз, и вдоль которого скользили грузы известной массы для получения равновесия. Весы Мора-Вестфаля показаны ниже.

В настоящее время гидростатические весы редко можно увидеть в научных лабораториях. Они были заменены более точными и простыми в использовании приборами, такими как пикнометр или электронные весы.

Составные части весов Галилея

Данный прибор имеет два рычага одинаковой длины, которые могут свободно поворачиваться вокруг центральной горизонтальной оси. К концу каждого рычага подвешена чашка. Она предназначена для удержания гирь известной массы. Внизу чашек имеется крючок. К нему можно подвешивать разные грузы.

Помимо гирь, в комплект гидростатических весов входят два металлических цилиндра. Они имеют одинаковый объем, только один из них изготовлен полностью из металла, а второй является полым. Также в комплект входит стеклянный цилиндр, который при выполнении измерений заполняют жидкостью.

Рассматриваемый прибор используют для демонстрации закона Архимеда и для определения плотности жидкостей и твердых материалов.

Демонстрация закона Архимеда

Архимед установил, что погруженное в жидкость тело вытесняет ее, причем вес вытесненной жидкости точно равен действующей вверх на тело выталкивающей силе. Покажем, как, используя гидростатические весы, можно проверить этот закон.

К левой чаше прибора подвесим сначала полый металлический цилиндр, а затем - полный. На правую чашу весов положим гири, чтобы уравновесить прибор. Теперь заполним водой стеклянный цилиндр и поместим в него полный металлический груз левой чаши так, чтобы он погружался полностью. Можно наблюдать, что вес правой чаши окажется больше, и равновесие прибора нарушится.

Затем наберем в полый верхний цилиндр воду. Будем наблюдать, как весы вновь восстановят свое равновесие. Поскольку объемы металлических цилиндров равны, то получается, что вес вытесненной полным цилиндром воды будет равен выталкивающей его из жидкости силе.

Ниже рисунок наглядно демонстрирует описанный опыт.

Измерение плотности твердых тел

Это одна из основных задач весов для гидростатического взвешивания. Эксперимент выполняется в виде следующих шагов:

• Измеряется вес тела, плотность которого следует найти. Для этого оно подвешивается к крючку одной из чаш, а на вторую чашу кладутся гири соответствующей массы. Обозначим найденное этим способом значение массы груза символом m₁.
• Измеряемое тело полностью погружают в стеклянный цилиндр, заполненный дистиллированной водой. В таком положении снова производят взвешивание тела. Предположим, что измеренная масса была равна m₂.
• Вычисляют значение плотности ρ_s твердого тела по следующей формуле:

ρ_s = ρ_l*m₁/(m₁ - m₂)

Здесь ρ_l = 1 г/см³ - плотность дистиллированной воды.

Таким образом, чтобы определить плотность твердого тела, необходимо измерить его вес в воздухе и в жидкости, плотность которой известна.

Определение плотности жидкостей

Принцип Архимеда, положенный в основу работы гидростатических весов, позволяет проводить измерения плотности любой жидкости с помощью рассматриваемого прибора. Опишем, как это делается:

• Берется произвольный груз. Это может быть металлический сплошной цилиндр или любое другое тело произвольной формы. Затем, груз погружают в жидкость с известной плотностью ρ_l1 и измеряют массу груза m₁.
• Этот же груз полностью погружают в жидкость с неизвестной плотностью ρ_l2. Записывают значение его массы в этом случае (m₂).
• Измеренные значения подставляют в формулу и определяют плотность жидкости ρ_l2:

ρ_l2 = ρ_l1*m₂/m₁

В качестве жидкости с известной плотностью часто используют дистиллированную воду (ρ_l1 = 1 г/см³).

Таким образом, гидростатические весы Галилея достаточно просто использовать для определения плотности веществ и материалов. Точность измеренных ими результатов лежит в пределах 1 %.