Масса и плотность. Как определить плотность воды Как рассчитывается плотность

Изучение плотности веществ начинается в курсе физики средней школы. Это понятие считается основополагающим в дальнейшем изложении основ молекулярно-кинетической теории в курсах физики и химии. Целью изучения строения вещества, методов исследования можно предположить формирование научных представлений о мире.

Начальные представления о единой картине мира дает физика. 7 класс плотность вещества изучает на основании простейших представлений о методах исследования, практического применения физических понятий и формул.

Методы физического исследования

Как известно, среди методов исследования явлений природы выделяют наблюдение и эксперимент. Проводить наблюдения за природными явлениями учат в начальной школе: проводят простейшие измерения, зачастую ведут «Календарь природы». Эти формы обучения способны привести ребенка к необходимости изучения мира, сопоставления наблюдаемых явлений, выявления причинно-следственных связей.

Однако только полноценно проведенный эксперимент даст в руки юному исследователю инструменты в раскрытии тайн природы. Развитие экспериментальных, исследовательских навыков осуществляется на практических занятиях и в ходе выполнения лабораторных работ.

Проведение эксперимента в курсе физики начинают с определений таких физических величин, как длина, площадь, объем. При этом устанавливается связь между математическими (для ребенка достаточно абстрактными) и физическими знаниями. Обращение к опыту ребенка, рассмотрение давно известных ему фактов с научной точки зрения способствует формированию у него необходимой компетентности. Цель обучения в этом случае - стремление к самостоятельному постижению нового.

Изучение плотности

В соответствии с проблемным методом обучения в начале урока можно задать известную загадку: «Что тяжелее: килограмм пуха или килограмм чугуна?» Разумеется, 11-12-летние ребята с легкостью дают ответ на известный им вопрос. Но обращение к сути вопроса, возможность раскрыть его особенность, приводит к понятию плотности.

Плотность вещества - масса единицы его объема. Таблица обычно приведенная в учебниках или справочных изданиях, позволяет оценить различия между веществами, также агрегатными состояниями вещества. Указание на различие в физических свойствах твердых тел, жидкостей и газов, рассмотренное ранее, пояснение этого различия не только в строении и взаимном расположении частиц, но и в математическом выражении характеристик вещества, переводит изучение физики на иной уровень.

Закрепить знания о физическом смысле изучаемого понятия позволяет таблица плотности веществ. Ребенок, давая ответ на вопрос: «Что означает величина плотности определенного вещества?», понимает, что это масса 1 см 3 (или 1 м 3) вещества.

Вопрос о единицах измерения плотности можно поднять уже на этом этапе. Необходимо рассмотреть способы перевода единиц измерения в различных системах отсчета. Это дает возможность избавиться от статичности мышления, принять иные системы исчислений и в других вопросах.

Определение плотности

Естественно, изучение физики не может быть полным без решения задач. На этом этапе вводятся формулы расчета. в физике 7 класса, наверное, первое физическое соотношение величин для ребят. Ей уделяется особое внимание не только вследствие изучения понятий плотности, но и по факту обучения методам решения задач.

Именно на этом этапе закладывается алгоритм решения физической вычислительной задачи, идеология применения основных формул, определений, закономерностей. Научить анализу задачи, способу поиска неизвестного, особенностям использования единиц измерения учитель пытается на применении такого соотношения, как формула плотности в физике.

Пример решения задач

Пример 1

Определите, из какого вещества изготовлен кубик массой 540 г и объемом 0,2 дм 3 .

ρ -? m = 540 г, V = 0,2 дм 3 = 200 см 3

Анализ

Исходя из вопроса задачи, понимаем, что определить материал, из которого изготовлен кубик, нам поможет таблица плотностей твердых веществ.

Следовательно, определим плотность вещества. В таблицах эта величина дана в г/см 3 , поэтому объем из дм 3 переведен в см 3 .

Решение

По определению: ρ = m: V.

Нам даны: объем, масса. Плотность вещества можно вычислить:

ρ = 540 г: 200 см 3 = 2,7 г/см 3 , что соответствует алюминию.

Ответ : кубик изготовлен из алюминия.

Определение иных величин

Использование формулы расчета плотности позволяет определять и иные физические величины. Масса, объем, линейные размеры тел, связанные с объемом, с легкостью вычисляются в задачах. Знание математических формул определения площади и объема геометрических фигур применяется в задачах, что позволяет пояснить необходимость изучения математики.

Пример 2

Определите толщину слоя меди, которой покрыта деталь площадью поверхности 500 см 2 , если известно, что на покрытие израсходовано 5 г меди.

h - ? S = 500 см 2 , m = 5 г, ρ = 8,92 г/см 3 .

Анализ

Таблица плотности веществ позволяет определить величину плотности меди.

Воспользуемся формулой расчета плотности. В этой формуле есть объем вещества, исходя из которого можно определить линейные размеры.

Решение

По определению: ρ = m: V, но в этой формуле нет искомой величины, поэтому используем:

Подставляя в основную формулу, получим: ρ = m: Sh, откуда:

Вычислим: h = 5 г: (500 см 2 х 8,92 г/см 3) = 0,0011 см = 11 мкм.

Ответ : толщина слоя меди равна 11 мкм.

Экспериментальное определение плотности

Экспериментальный характер физической науки демонстрируется в ходе проведения лабораторных опытов. На этом этапе приобретаются навыки проведения опыта, пояснения его результатов.

Практическое задание по определению плотности вещества включает:

• Определение плотности жидкости. На этом этапе ребята, уже использовавшие ранее мерный цилиндр, с легкостью определяют плотность жидкости с использованием формулы.
• Определение плотности вещества твердого тела правильной формы. Это задание также не вызывает сомнений, поскольку уже рассмотрены аналогичные расчетные задачи и приобретен опыт измерения объемов по линейным размерам тел.
• Определение плотности твердого тела неправильной формы. При выполнении этого задания пользуемся методом определения объема тела неправильной формы при помощи мензурки. Нелишне еще раз напомнить особенности этого метода: способность твердого тела вытеснять жидкость, объем которой равен объему тела. Далее задача разрешается стандартно.

Задания повышенной сложности

Усложнить задание можно, предложив ребятам определить вещество, из которого изготовлено тело. Используемая при этом таблица плотности веществ позволяет обратить внимание на необходимость умения работать со справочной информацией.

При решении экспериментальных задач учащиеся обязаны иметь необходимый объем знаний в области использования и перевода единиц измерения. Зачастую именно это вызывает наибольшее число ошибок и недочетов. Возможно, этому этапу изучения физики стоит выделить больше времени, он позволяет сопоставить знания и опыт исследования.

Объемная плотность

Исследование чистого вещества, разумеется, интересно, но часто ли встречаются чистые вещества? В обыденной жизни мы встречаемся со смесями и сплавами. Как быть в этом случае? Понятие объемной плотности не позволит учащимся сделать типичной ошибки и использовать средние значения плотности веществ.

Пояснить этот вопрос крайне необходимо, дать возможность увидеть, почувствовать разницу между плотностью вещества и объемной плотностью стоит на ранних этапах. Понимание этого различия необходимо в дальнейшем изучении физики.

Крайне интересно это отличие в случае Позволить ребенку исследование объемной плотности в зависимости от уплотнения материала, размера отдельных частиц (гравий, песок и т. д.) можно в ходе начальной исследовательской деятельности.

Относительная плотность веществ

Сравнение свойств различных веществ достаточно интересно на основании Относительная плотность вещества - одна из таких величин.

Обычно относительную плотность вещества определяют по отношению к дистиллированной воде. Как отношение плотности данного вещества к плотности эталона, эта величина определяется с помощью пикнометра. Но в школьном курсе естествознания эта информация не используется, интересна она при глубоком изучении (чаще всего факультативно).

Олимпиадный уровень изучения физики и химии может затронуть и понятие «относительная плотность вещества по водороду». Обыкновенно его применяют к газам. Для определения относительной плотности газа находят отношение молярной массы исследуемого газа к Использование не исключается.

Плотность — это интенсивность распределения одной величины по другой.

Термин объединяет несколько различных понятий, таких как: плотность вещества; оптическая плотность; плотность населения; плотность застройки; плотность огня и многие другие. Рассмотрим два понятия, касающихся неразрушающего контроля.

1. Плотность вещества.

В физике плотностью вещества называют массу этого вещества, содержащуюся в единице объёма при нормальных условиях. Тела одинакового объёма, изготовленные из различных веществ, обладают различной массой, что и характеризует их плотность. К примеру, два куба одинаковых размеров, изготовленные из чугуна и алюминия, будут отличаться весом и плотностью.

Чтобы вычислить плотность какого-либо тела, нужно точно определить его массу и разделить её на точный объём этого тела.

кг/м 3
— Единицы измерения
плотности в международной
системе единиц (СИ)

г/см 3
— Единицы измерения
плотности в системе СГС

Выведем формулу вычисления плотности.

Для примера определим плотность бетона. Возьмём бетонный кубик весом 2,3 кг со стороной 10 см. Подсчитаем объём кубика.

Подставляем данные в формулу.

Получаем плотность 2 300 кг/м 3 .

От чего зависит плотность вещества

Плотность вещества зависит от температуры. Так в подавляющем большинстве случаев при снижении температуры плотность увеличивается. Исключение составляют вода, чугун, бронза и некоторые другие вещества, которые в определённом температурном диапазоне проявляют себя иначе. Вода, например, имеет максимальную плотность при 4 °C . При повышении или понижении температуры плотность будет уменьшатся.

Плотность вещества меняется и при изменении его агрегатного состояния. Она скачкообразно растёт при переходе вещества из газообразного в жидкое состояние, и далее — в твёрдое. Здесь также есть исключения: плотность воды, висмута, кремния и некоторых других веществ снижается при затвердевании.

Чем измеряется плотность вещества

Для измерения плотности различных веществ применяются специальные приборы и приспособления. Так, плотность жидкостей и концентрация растворов измеряется различными ареометрами. Несколько разновидностей пикнометров предназначены для измерения плотности твёрдых тел, жидкостей и газов.

2. Оптическая плотность.

В физике оптической плотностью называют способность прозрачных материалов поглощать свет, а непрозрачных — отражать его. Это понятие в большинстве случаев характеризует степень ослабления светового излучения при прохождении его через слои и плёнки различных веществ.

Оптическую плотность принято выражать десятичным логарифмом отношения падающего на объект потока излучения к потоку, прошедшему через объект или отражённому от него:

Оптическая плотность=логарифм (поток излучения, падающий на объект где D - оптическая плотность; F 0 - поток излучения, падающий на объект; F - поток излучения, прошедший через объект или отражённый от него).

Все вокруг нас состоит из разных веществ. Корабли и бани строят из дерева, утюги и раскладушки делают из железа, покрышки на колесах и стёрки на карандашах - из резины. И разные предметы имеют разный вес - любой из нас без проблем донесет с рынка сочную спелую дыню, а вот над гирей такого же размера уже придется попотеть.

Все помнят знаменитую шутку: «Что тяжелее? Килограмм гвоздей или килограмм пуха?». Мы-то уже не попадемся на эту детскую уловку, мы знаем, что вес и того и другого будет одинаковым, а вот объем будет существенно отличаться. Так почему это происходит? Почему разные тела и вещества имеют разный вес при одинаковом размере? Или наоборот, одинаковый вес при разном размере? Очевидно, что есть какая-то характеристика, вследствие которой вещества так отличаются друг от друга. В физике эта характеристика носит название плотности вещества и проходится в седьмом классе.

Плотность вещества: определение и формула

Определение плотности вещества следующее: плотность показывает, чему равна масса вещества в единице объема, например, в одном кубическом метре. Так, плотность воды 1000 кг/ м3 , а льда - 900 кг/м3, именно поэтому лед легче и находится сверху зимой на водоемах. То есть, что показывает нам плотность вещества в данном случае? Плотность льда равная 900 кг/м3, означает, что куб льда со сторонами 1 метр весит 900 кг. А формула для определения плотности вещества следующая: плотность= масса/объем. Обозначаются величины, входящие в это выражение, так: масса - m, объем тела -V, а плотность обозначается буквой ρ (греч.буква «ро»). И формула можно записать следующим образом:

Как найти плотность вещества

Как найти или рассчитать плотность какого-либо вещества? Для этого нужно знать объем тела и массу тела . То есть, мы измеряем вещество, взвешиваем, а потом полученные данные просто подставляем в формулу и находим нужное нам значение. А в чем измеряется плотность вещества понятно из формулы. Измеряется она в килограммах на метр кубический. Иногда используют еще такое значение, как грамм на сантиметр кубический. Пересчитать одну величину в другую очень просто. 1 г = 0,001 кг, а 1 см3 = 0,000001 м3. Соответственно 1 г/(см)^3 =1000кг/м^3 . Еще следует помнить, что плотность вещества различна в разных агрегатных состояниях. То есть в твердом, жидком или газообразном. Плотность твердых тел, чаще всего, выше плотности жидкостей и намного выше плотности газов. Пожалуй, очень полезное для нас исключение - это вода, которая, как мы уже рассматривали, в твердом состоянии весит меньше, чем в жидком. Именно вследствие этой странной особенности воды на Земле возможна жизнь. Жизнь на нашей планете, как известно, произошла из океанов. А если бы вода вела себя, как и все остальные вещества, то вода в морях и океанах промерзла бы насквозь, лед, будучи тяжелее воды, опустился бы на дно и лежал там, не тая. И только на экваторе в небольшой толще воды существовала бы жизнь в виде нескольких видов бактерий. Так что можно сказать спасибо воде за то, что мы существуем.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Плотность - это скалярная физическая величина, которая определяется как отношение массы тела к занимаемому им объему.

Данную величину обычно обозначают греческой буквой r или латинскими D и d . Единицей измерения плотности в системе СИ принято считать кг/м 3 , а в СГС - г/см 3 .

Плотность можно вычислить по формуле:

Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму.

Например, при нормальных условиях масса диокисда углерода в объеме 1 л равна 1,98 г, а масса водорода в том же объеме и при тех же условиях - 0,09 г, откуда плотность диоксида углерода по водороду составит: 1,98 / 0,09 = 22.

Как рассчитать плотность вещества

Обозначим относительную плотность газа m 1 / m 2 буквой D. Тогда

Следовательно, молярная масса газа равна его плотности по отношению у другому газа, умноженной на молярную массу второго газа.

Часто плотности различных газов определяют по отношению к водороду, как самому легкому из всех газов. Поскольку молярная масса водорода равна 2,0158 г/моль, то в этом случае уравнение для расчета молярных масс принимает вид:

или, если округлить молярную массу водорода до 2:

Вычисляя, например, по этому уравнению молярную массу диоксида углерода, плотность которого по водороду, как указано выше равна 22, находим:

M(CO 2) = 2 × 22 = 44 г/моль.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Один из самых важных контролируемых показателей при производстве косметики и производстве БАД – плотность. В зависимости от производимого продукта специалисты компании «КоролёвФарм » используют несколько понятий и определений плотности.

Более чёткое определение понятия плотности требует уточнения формулировки этого термина:

При таком предельном переходе необходимо учитывать, что на атомарном уровне любое тело является неоднородным, в связи с чем необходимо остановиться на том объёме, который применяется для соответствующей используемой физической модели.

• Насыпная плотность - под насыпной плотностью различных сыпучих материалов (сахар, лактоза, крахмал и т.д.) понимают количество этого порошка (сыпучего продукта), которое находится в свободно засыпанном состоянии в определённой единице объема.
• Относительная плотность – является отношением двух понятий, т.е. терминов, и может рассматриваться как отношение объёмной, то есть насыпной плотности, к истинной плотности.

Плотность продукции является важным параметром при изготовлении косметической продукции, так как она влияет на внешний вид продукта, его органолептические свойства, вес и стоимость готовой продукции. Очень важно учитывать плотность продукта при фасовке изготовленной продукции во флаконы, тубы, банки и так далее.

Например, плотность кремов - меньше единицы. Как правило, плотность крема находиться в пределах 0,96 – 0,98 г/см 3 . В соответствии с проведёнными испытаниями при плотности 0,96 и объеме 50 мл масса крема составит 48 г, а при плотности 0,98 масса увеличивается уже до 49 г.

Плотность шампуней, наоборот, больше или равна единице, она находиться в пределах 1,0 - 1,04 г/см 3 . Исследования показывают, что при плотности 1,0 и объеме 100 мл масса шампуня в упаковке составит 100 г, а при плотности 1,04 уже 104 г.

Как уже говорилось, плотность определяется как отношение массы тела к занимаемому объёму. Поэтому, числовые значения плотности вещества показывают массу принятой или указанной единицы объема этого вещества. Как видно из приведённого примера, плотность металла, в данном случае чугуна, 7 кг/дм 3 . Получается, что 1 дм 3 чугуна имеет массу 7 кг. Сравниваем плотность водопроводной воды – 1 кг/л. Из этого примера следует, что масса 1 л водопроводной воды равна 1 кг. Один и тот же объём разной субстанции или вещества имеют различный вес.
Известно, что при снижении температуры плотность тел увеличивается.

Существует два основных метода определения плотности вещества: ареометрический и пикнометрический. Для измерения плотности различных жидкостей используется ареометр, а для измерения плотности кремов, бальзамов, гелей, зубных паст используется пикнометр.

На основании измеренной плотности косметической продукции по согласованным на предприятии таблицам «Пределы допускаемых отклонений содержимого нетто от номинального количества» в соответствии с ГОСТ 8.579-2002 «Требования к количеству фасованных товаров в упаковке любого вида при их производстве, расфасовке, продаже и импорте» определяются пределы допустимых отклонений содержимого нетто продукта от номинального значения.

Ареометр - прибор, которым пользуются для измерения плотности различных жидкостей и жидких субстанций. Как правило, он представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой значительно расширена в диаметре. При калибровке расширенная часть заполняется дробью или ртутью, которые используются для достижения заданной массы. В верхней части ареометра находится проградуированная шкала в определенных соответствующих значениях плотности. Поскольку плотность жидкостей и жидких субстанций весьма значительно зависит от температуры, поэтому ареометр или снабжают термометром, или производят одновременное измерение температуры жидкости другим термометром.

Для проведения процедуры измерения плотности жидкой субстанции или жидкости чистый ареометр осторожно помещают в достаточного объема мерную мензурку с жидкостью, но таким образом, чтобы ареометр свободно плавал в ней. Значения плотности определяют по шкале ареометра находящейся на нижнем крае мениска жидкости.

В физике Ареометром называют прибор, служащий для определения значения плотности и, следовательно, определения удельного веса тел.

Историки науки считают, что ареометр как прибор для проведения измерений изобрела Гипатия – знаменитая женщина-ученый, астроном, математик и философ, глава Александрийской школы неоплатонизма. Благодаря её научной деятельности были изобретены или усовершенствованы и другие приборы: дистиллятор, астролябия и планисфера.

Устройство современных ареометров, как и ареометров, применяемых в древности, основано на известном гидростатическом законе - законе Архимеда, Как известно из школы младших классов, закон Архимеда гласит, что каждое тело плавает в жидкости и погружается настолько глубоко в нее, что вес вытесненной этим телом жидкости равен весу всего тела, плавающего в этой жидкости.

Интересные обстоятельства предшествовали открытию закона Архимеда, который прославил ученого на все времена. «Эврика!», – восклицает каждый, находя решение трудной задачи, а ведь этому предшествует целая история.

Архимед служил при дворе Гиерона II – тирана Сиракуз, который правил в 270-215 годах до нашей эры, а с 269 года до нашей эры носил титул царя. Гиерон слыл коварным, жадным и подозрительным правителем.

Он подозревал своих ювелиров в том, что при изготовлении золотых изделий они подмешивают в золото серебро или хуже того олово к благородному металлу, что и послужило причиной открытия одного из физических законов. Он поручил Архимеду изобличить мастеров-ювелиров, так как он был уверен, что при изготовлении для него короны ювелиры украли золото.

Для решения этой сложной задачи необходимо знать не только массу, но и определить объём изготовленной короны, а это было самым сложным, чтобы в дальнейшем вычислить плотность металла. Корона имеет сложную и неправильную геометрическую форму, определить её объём - очень не простая задача, над решением которой долгое время размышлял Архимед.

Решение было найдено Архимедом оригинальным способом, когда он погружался в ванну – уровень воды резко поднялся, после того когда он погрузился в воду. Тело учёного вытеснило равный ему объём воды. «Эврика!» - воскликнул Архимед и побежал во дворец, как утверждает легенда, не одевшись. Дальше всё было просто. Он погрузил корону в воду, измерил объём вытесненной жидкости и таким образом определил объём короны.

Благодаря этому Архимедом и был открыт принцип или, как его ещё называют, закон плавучести. Твердое тело, погружённое в жидкость, вытеснит объем жидкости, равный объему погруженного в жидкость тела. В воде может плавать любое тело, если его средняя плотность меньше плотности той жидкости, в которую его поместили.

Закон Архимеда гласит: на всякое тело, которое погружено в жидкость или в газ, действуют выталкивающие силы, направленные вверх и равные весу вытесненной им жидкости или газа.
До настоящего времени человечество успешно применяет знания, полученные от далёких предков во многих областях своей деятельности, в том числе и при производстве косметики.

Как уже говорилось, для измерения плотности используется также пикнометр. Измерение плотности с помощью пикнометра проводят следующим образом.

Перед испытанием необходимо промыть пикнометр последовательно растворителем для удаления следов испытуемого вещества, затем хромовой смесью, водой, спиртом, эфиром, затем высушить до постоянной массы и взвесить (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до четвертого десятичного знака).

Пикнометр заполняется с помощью воронки или пипетки дистиллированной водой немного выше метки, закрывается пробкой и помещается на 20 минут в термостат с температурой (20 ±0,1)°С.

При достижении температуры (20 ±0,1)°С, необходимо довести уровень воды в пикнометре до метки, быстро отбирая излишек воды при помощи пипетки или свернутой в трубку полоски фильтровальной бумаги или, добавляя водой до метки, закрыть пикнометр пробкой и поместить пикнометр в термостат с температурой (20 ±0,1) °С на 10 минут.

Вынуть пикнометр из термостата, взвесить, освободить от воды, высушить его и заполнить пикнометр испытуемой жидкостью и термостатировать.

Вычислите плотность () в г/см 3 по формуле:

где : m 1 – масса пикнометра с испытуемой жидкостью, г;
m 0 – масса пустого пикнометра, г;
m 2 - масса пикнометра с водой, г;
А – поправка на аэростатические силы, вычисляется по формуле:

А= 0,0012 х V.

где : V – объем пикнометра, см 3 ;
0,0012 – плотность воздуха при 200С, г/см 3 ;
0,9982 – плотность воды при 200С, г/см 3 ;

На фирме «КоролевФарм» для измерения плотности косметических изделий, имеющих густую консистенцию (эмульсии, крем-гели, гели, бальзамы и т.п.), используется экспресс-метод. Суть его заключается в том, что для проведения испытаний используется калиброванный шприц.

Для определения плотности взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), наполните шприц дистиллированной водой до максимальной метки, затем тщательно вытрите поверхность шприца и произведите повторное взвешивание.

Объем (V) шприца определите по формуле:

где : m 1 – масса шприца с водой (г) , , 0,9982 - плотность воды при 200С, г/см 3 ;

Снова взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), заполните шприц косметической массой до максимальной метки, не допуская попадания пузырьков воздуха.

Тщательно вытрите поверхность шприца и произведите его повторное взвешивание.

Плотность () в г/см 3 вычислите по формуле:

Где, m 1 – масса шприца с косметическим средством (г) , m 0 - масса пустого шприца (г) , V – объем шприца (см 3)

За результат испытания принимают среднеарифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает 0,01 г/см 3 .
Этот метод позволяет быстро определить плотность изготовленного косметического продукта.