Физическая величина "плотность". Как найти плотность экспериментально и теоретически?

Рассмотрим в статье, как найти плотность, и что это такое. При проектировании многих конструкций и транспортных средств учитывается ряд физических характеристик, которыми должен обладать конкретный материал. Одной из них является плотность.

Масса и объем

Расшифруем значение двух физических величин, которые к ней имеют непосредственное отношение - это масса и объем. Прежде, чем мы ответим на вопрос, как найти плотность.

Массой называется такая характеристика, которая описывает инерционные свойства тел и их способность проявлять гравитационное притяжение друг к другу. Масса измеряется в килограммах в системе СИ.

Понятия инерционной и гравитационной масс были впервые введены в физику Исааком Ньютоном при формулировке законов механики и Всемирного тяготения.

Объем - это исключительно геометрическая характеристика тела, которая отражает количественно часть занимаемого им пространства. Измеряется объем в кубических единицах длины, например, в СИ это метры в кубе.

Для тел известной формы (параллелепипед, шар, пирамида) эту величину можно определить по специальным формулам, для объектов же неправильной геометрической формы объем определяют с помощью погружения их в жидкость.

Физическая величина плотность

Теперь можно переходить непосредственно к ответу на вопрос, как найти плотность. Эта характеристика определяется отношением массы тела к объему, который оно занимает, что математически записывается так:

ρ = m/V.

Это равенство показывает единицы измерения величины ρ (кг/м³). Таким образом, плотность масса и объем связаны единым равенством, причем величина ρ для любого материала показывает объемную концентрацию его массы.

Приведем простой пример: если взять в руку пластмассовый и железный шарики одинакового размера, то второй будет иметь гораздо больший вес, чем первый. Этот факт связан с большой плотностью железа по сравнению с таковой для пластмассы.

Одним из основных проявлений соотношения плотностей в природе будет плавучесть тел. Если тело имеет меньшую плотность, чем жидкость, то оно в ней никогда не утонет.

Плотность материалов

Когда речь ведут о плотности определенных материалов, то имеют в виду твердые вещества. Газы и жидкости тоже имеют определенную плотность, но здесь мы о них говорить не будем.

Твердые материалы могут иметь кристаллическое или аморфное строение. Величина ρ зависит от строения, межатомных расстояний и атомных и молекулярных масс материалов. Например, все металлы - это кристаллы, а стекло или дерево имеют аморфное строение. Ниже приведем таблицу плотности разных сортов дерева.

Обращаем внимание, что в данном случае приводится средняя плотность. В реальных условиях каждое дерево обладает уникальными особенностями, включая пустоты, поры и наличие некоторого процента влаги в древесине.

Ниже приведена еще одна таблица. В ней в г/см³ даны плотности всех чистых химических элементов, которые находятся при комнатной температуре.

Видно из таблицы, что все элементы имеют плотность больше, чем у воды. Исключение составляют всего три металла - литий, калий и натрий, которые не тонут, а плавают на поверхности воды.

Как измеряют плотность экспериментально?

По сути, существуют две техники определения изучаемой характеристики. Первая заключается в непосредственном взвешивании тела и измерении его линейных размеров.

Если же геометрическая форма тела сложная, тогда используют так называемый гидростатический метод.

Его суть заключается в следующем: сначала взвешивают тело на воздухе. Предположим, что полученный вес составил P₁. После этого тело взвешивают в жидкости с известной плотностью ρ_l. Пусть вес тела в жидкости равен P₂. Тогда значение плотности ρ исследуемого материала составит:

ρ = ρ_l*P₁/(P₁-P₂).

Эту формулу может получить каждый школьник самостоятельно, если рассмотрит закон Архимеда для описанного случая.

Исторически считается, что впервые гидростатическое взвешивание использовал греческий философ Архимед для определения подделки золотой короны. Первые же гидростатические весы были изобретены Галилео Галилеем в конце XVI века. В настоящее время для экспериментального определения величины ρ жидкостей, твердых тел и газов широко используются электронные пикнометры и плотномеры.

Теоретическое определение плотности

Выше был рассмотрен вопрос, как найти плотность экспериментально. Тем не менее, эту найти ρ неизвестного материала можно теоретическим путем. Для этого необходимо знать тип кристаллической решетки, параметры этой решетки, а также массу образующих ее атомов. Поскольку любая элементарная кристаллическая решетка имеет определенную геометрическую форму, то несложно найти формулу для определения ее объема.

Если кристаллический материал состоит из нескольких химических элементов, например, металлические сплавы, то его среднюю плотность можно определить по следующей простой формуле:

ρ = ∑m_i/∑(m_i/ρ_i).

Где m_i, ρ_i - масса и плотность i-го компонента, соответственно.

Если материал имеет аморфную структуру, то теоретически определить точно его плотность не получится, и необходимо использовать экспериментальные техники.