Site Loader

Содержание

Плотность вещества — урок. Физика, 7 класс.

Плотностью вещества называется величина, численно равная массе единицы объёма этого вещества.

Каждое вещество занимает некоторый объём. И может оказаться, что объёмы двух тел равны, а их массы различны. В этом случае говорят, что плотности этих веществ различны.

 

 

Рис. \(1\). Тела равных объёмов на весах

 

Рассмотрим кусок железа, масса которого равна 1 кг, и кусок дерева, масса которого равна 1 кг. Объём дерева больше, чем объём куска железа. Плотность дерева меньше, чем плотность железа (молекулы прилегают не так плотно друг к другу).

 

Рис. \(2\). Железо и дерево

Плотность равна отношению массы тела к его объёму.

В физике плотность обозначают греческой буквой \(ρ\) (ро).

плотность=массаобъёмρ=mV, где \(m\) — масса, \(V\) — объём.

Основной единицей плотности вещества является кгм3. Иногда используют единицу плотности г/см3.

Пример:

Плотность железа равна 7900кгм3, это означает, что масса 1м3 железа равна 7900 кг.

Плотность воды равна 1000кгм3, значит, масса 1м3 воды равна 1000 кг.

Выражая по-другому, плотность воды равна 1г/см3, значит, масса 1см3 воды равна 1 г.

В различных состояниях плотность вещества различна.

Например, плотность расплавленного железа меньше плотности твёрдого железа.

 

Плотности веществ могут быть очень различны. Самое плотное вещество не находится на Земле.

Например, в космосе плотность белого карлика Сириуса Б (звезда) так велика, что масса спичечного коробка из этого вещества была бы равна 127 тоннам.

Пример:

10 вёдер вместимостью 1 литр до краёв наполнены мёдом, масса всего мёда равна 14 кг. Найди плотность мёда.

\(V\)\(=\)\(10\) л = 0,01 м3 
\(m\)\(=\)\(14\) кг 

ρ=mVρ \(=\)14 кг0,01м3=1400кгм3

Обрати внимание!

Плотность вещества зависит от температуры: при повышении температуры обычно плотность снижается. Это связано с термическим расширением, когда при неизменной массе увеличивается объём.

Источники:

Рис. 1. Тела равных объёмов на весах. © ЯКласс.

Плотность вещества — как определить и чему равна?

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

F — сила [Н]

m — масса [кг]

a — ускорение [м/с2]

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

F — сила [Н]

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.


Источник: Википедия

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.3]

Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.

Маленькое исключение

Исключение составляет вода. Так, плотность воды меньше плотности льда. Объяснение кроется в молекулярной структуре льда. Когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, она изменяет молекулярную структуру так, что расстояние между молекулами увеличивается. Соответственно, плотность льда меньше плотности воды.

Ниже представлены значения плотностей для разных веществ. В дальнейшем это поможет при решении задач.

Твердое вещество

кг/м3

г/см3

Платина

21500

21,5

Золото

19300

19,3

Вольфрам

19000

19,0

Свинец

11400

11,4

Серебро

10500

10,5

Медь

8900

8,9

Никель

8800

8,8

Латунь

8500

8,5

Сталь, железо

7900

7,9

Олово

7300

7,3

Цинк

7100

7,1

Чугун

7000

7,0

Алмаз

3500

3,5

Алюминий

2700

2,7

Мрамор

2700

2,7

Гранит

2600

2,6

Стекло

2600

2,6

Бетон

2200

2,2

Графит

2200

2,2

Лёд

900

0,9

Парафин

900

0,9

Дуб (сухой)

700

0,7

Берёза (сухая)

650

0,65

Пробка

200

0,2

Платиноиридиевый сплав

21500

21,5

Жидкость

кг/м3

г/см3

Ртуть

13600

13,6

Мёд

1300

1,3

Глицерин

1260

1,26

Молоко

1036

1,036

Морская вода

1030

1,03

Вода

1000

1

Подсолнечное масло

920

0,92

Нефть

820

0,82

Спирт

800

0,8

Бензин

700

0,7

Газ

кг/м3

Хлор

3,22

Озон

2,14

Пропан

2,02

Диоксид углерода

1,98

Кислород

1,43

Воздух

1,29

Азот

1,25

Гелий

0,18

Водород

0,09

Где самая большая плотность?

Самая большая плотность во Вселенной — в черной дыре. Плотность черной дыры составляет около 1014 кг/м3

Средняя плотность

В школьном курсе чаще всего говорят о средней плотности тела. Дело в том, что если мы рассмотрим какое-нибудь неоднородное тело, то в одной его части будет, например, большая плотность, а в другой — меньшая.

Если вы когда-то делали ремонт, то знакомы с такой вещью, как цемент. Он состоит из двух веществ: клинкера и гипса. Значит нам нужно отдельно найти плотность гипса, плотность клинкера по формуле, указанной выше, а потом найти среднее арифметическое двух плотностей. Можно сделать так.

А можно просто массу цемента разделить на объем цемента и мы получим ровно то же самое. Просто в данном случае мы берем не массу и объем вещества, а массу и объем тела.

Формула плотности тела

р = m/V

р — плотность тела [кг/м^3]

m — масса тела [кг]

V — объем тела [м^3]

Решение задач: плотность вещества

А теперь давайте тренироваться!

Задача 1

Цилиндр 1 поочерёдно взвешивают с цилиндром 2 такого же объёма, а затем с цилиндром 3, объем которого меньше (как показано на рисунке).


Какой цилиндр имеет максимальную среднюю плотность?

Решение:

Плотность тел прямо пропорциональна массе и обратно пропорциональна объему:

р = m/V

Исходя из проведенных опытов можно сделать следующие выводы:

1) масса первого цилиндра больше массы второго цилиндра при одинаковом объеме. Значит плотность первого цилиндра выше плотности второго.

2) масса первого цилиндра равна массе третьего цилиндра, объем которого меньше. Следовательно, плотность третьего цилиндра больше плотности первого цилиндра.

Таким образом, средние плотности цилиндров:

р2 < р1 < р3

Ответ: 3.

Задача 2

Шар 1 последовательно взвешивают на рычажных весах с шаром 2 и шаром 3 (как показано на рисунке). Для объёмов шаров справедливо соотношение V1 = V3 < V2.


Какой шар имеет максимальную среднюю плотность?

Решение:

Из рисунка ясно, что масса шаров 1 и 2 равна — следовательно, плотность второго шара меньше, чем первого.3

Плавание тел

Почему шарик с гелием взлетает? Или мяч при игре в водное поло не тонет?

Жидкости и газы действуют на погруженные тела с выталкивающей силой. Подробно это явление рассматривают в теме «‎Сила Архимеда»‎. Если говорить простым языком: если плотность тела, погруженного в воду, больше плотности воды — тело пойдет ко дну. Если меньше – оно всплывет на поверхность.

Задача 1

Стальной шарик в воде падает медленнее, чем в воздухе. Чем это объясняется?

Решение:

Плотность воды значительно выше, чем воздуха, поэтому стальной шарик в воде падает медленнее

Задача 2

В таблице даны плотности некоторых твердых веществ. Если вырезать из этих веществ кубики, то какие кубики смогут плавать в воде? Плотность воды — 1000 кг/м3.

Название вещества

Плотность вещества, кг/м3

Алюминий

2700

Парафин

900

Плексиглас

1200

Фарфор

2300

Сосна

400

Решение:

Плавать будут кубики, плотность которых меньше плотности воды, то есть сделанные из парафина или сосны.

Плотность — Физика


Для обозначения плотности обычно используется символ  (ро).Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму или площади (поверхностная плотность).

Более точное определение плотности требует уточнение формулировки:

  • Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела.
  • Плотность вещества — это плотность тел, состоящих из этого вещества.
  • Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела (), содержащей эту точку, к объёму этой малой части (), когда этот объём стремится к нулю[1], или, записывая кратко, . При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.

Виды плотности и единицы измерения

Исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

  • истинную плотность, определяемую без учёта пустот;
  • удельную (кажущуюся) плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.

Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме.

Формула нахождения плотности

Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:

где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.

  • При вычислении плотности газов эта формула может быть записана и в виде:
где М — молярная масса газа,  — молярный объём (при нормальных условиях равен 22,4 л/моль).

Зависимость плотности от температуры

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, германий и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при переходе в твердую фазу уменьшается.

3. Плотность тела — Физика62

    Теория:

1.3, [m]=1*кг.

Плотность твердого тела определяют по формуле. Для этого делают измерение массы — весами; объема — мензуркой (объем вытесненной воды). Смотрите видео.

Видео YouTube

    Измерительный прибор: ареометр. Используется для определения плотностей жидкостей и расстворов. Состоит из длинного стержня со шкалой, которая проградуирована в значениях плотности раствора. При измерениях ареометр помещают в жидкость. На ареометр действует две силы: тяжести и Архимеда (выталкивающая). Для измерения плотности жидкости ареометром постоянной массы сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нём. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

1.2. Особенности решения задач на плотность.

    В общем случае задачи на плотность решают в системе СИ.3

    Также можно считать в граммах и кубических сантиметрах, только в конце необходимо делать перевод единиц или не делать, в зависимости от требований самой задачи.

1.3. Таблица плотностей некоторых веществ.

2.1. Самостоятельная работа.

А.

В
С
Ответы для проверки.
Решение

Плотность вещества. 7-й класс

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цели урока:

  • знать определение плотности вещества, формулу;
  • уметь работать с физическими величинами, входящими в данную формулу.

Задачи урока:

  • Образовательные: сформировать представление о плотности вещества, рассмотреть ее характеристики (определение, формула, классифицирующий признак, единицы измерения, способы измерения).
  • Развивающие: развивать интеллектуальные умения (наблюдать, размышлять, сравнивать, делать выводы).
  • Воспитательные: воспитывать умение работать в группах, продолжить формирование культуры общения, воспитывать трудолюбие, аккуратность.

Оборудование: рычажные весы с разновесами, алюминиевый и стальной цилиндры, измерительный цилиндр (мензурка), брусок, линейка, стекло, стальной шарик, пробковый шарик, чеснок, растительное масло.

Ход урока

I. Организационный момент: приветствие, выявление отсутствующих, проверка готовности к уроку, сообщение цели урока.

II. Актуализация знаний.

(Вызывается один ученик к доске.)

– Что такое масса тела? (Мера инертности тел.)
– Какой буквой обозначают массу? (m)
– В какой основной единице измеряется масса в СИ? (в кг)
– Какие еще единицы массы вам известны? (Тонна, центнер, миллиграмм, грамм). Выразите следующие единицы массы в кг: 1 т, 1 ц, 1 мг, 1 г (1000 кг, 100 кг, 0,0001 кг, 0,001 кг)

(Выставляется оценка.)

– Двое учащихся (оглашаются фамилии) выполняют экспериментальные задания, которые понадобятся нам при изучении новой темы. Вам отводится 5 минут.

Задания:

  1. Определить массы двух цилиндров равного объема с точностью до мг.
  2. Определить объем двух цилиндров.

– Остальные учащиеся решают самостоятельно задачи на листочках. Записываем число, самостоятельная работа и номер варианта.

1-й вариант:
Лодку подтягивают канатом к большому теплоходу. Почему движение теплохода в направлении лодки незаметно?

2-й вариант:
У берега находится тяжелогруженая лодка и такая же лодка без груза. С какой лодки легче спрыгнуть на берег? Почему?

3-й вариант:
Два мальчика на коньках, оттолкнувшись руками друг от друга, поехали в противоположные стороны со скоростями 5 м/с и 3 м/с. Масса какого мальчика больше и во сколько раз?

4-й вариант:
Мальчик прыгает с лодки на берег. Как будут различаться скорости мальчика и лодки, если масса лодки 90 кг, а мальчика 45 кг?

– Как определить массу бруска с помощью линейки? (Варианты учащихся.)
– Давайте сделаем вывод: от чего зависит масса тела? (От объема и вещества.)
– Есть характеристика, которая одинакова у тел, состоящих из одного вещества. Её называют плотностью.

III. Изучение нового материала.

Записываем в тетрадях тему урока “Плотность вещества”.

– Для выяснения и определения формулы плотности вернемся к экспериментальным заданиям, которые проводили…(фамилии).
– Проанализируем полученный результат: чем больше масса тела в одинаковом объеме, тем плотность….(больше).
– Рассмотрим пример. Оконное стекло имеет объем 2 м3, а его масса равна 5000 кг. Определите массу оконного стекла в 1 м3 (показываю небольшой квадратик оконного стекла).
– Нам известно, что стекло объемом 2 м3 имеет массу 5000 кг. Значит масса стекла объемом 1 м3 равна…(2500 кг). Таким образом, мы рассчитали плотность оконного стекла. Она равна 2500 кг на 1 м3.
– Откройте стр. 50 учебника и найдите по таблице, чему равна плотность оконного стекла.
– Значит, как можно рассчитать плотность, зная массу и объем? (Варианты учащихся.)
– Формулируем определение плотности: Плотность – физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму. Обозначается греческой буквой ρ (ро). Записываем определение и формулу в тетрадь.
– Давайте вместе выведем единицы измерения плотности из формулы.
– В какой основной единице измеряется масса? (в кг)
– а объем? (м3)
– Значит единица измерения плотности – кг/м3
– Кто скажет, что показывает плотность, каков ее физический смысл?
– Физический смысл плотности следующий: плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в объеме 1 м3 (или 1 см3)
– Например, плотность редкого металла осмия равна 22 600 кг/м3. Что это означает? (масса вещества осмия, взятого в 1 м3, равна 22 600 кг)
– Итак, с какой величиной вы познакомились сегодня на уроке?
– Что такое плотность? (Плотность – физическая величина, равная отношению массы тела к его объему.)
– В каких единицах измеряется плотность? (кг/м3, г/см3)
– Каков физический смысл плотности? (Плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в объеме 1 м3 (или 1 см3).)

IV. Закрепление изученного материала.

– Откройте стр. 41 в рабочей тетради, задание 2 (Один учащийся решает у доски.)

Мраморная плита имеет объём 3 м3, а её масса 8100 кг. Определите плотность мрамора.

Дано:
m = 8100 кг
V = 3 м3
Найти: ρ-?
Решение:
ρ = m/V
ρ = 8100кг/3м3= 2700 кг/м3
Ответ: ρ = 2700 кг/м3

   – Откройте стр. 50–51 учебника и найдите в таблице плотность льда, воды, и водяного пара в кг/м3. Сравните плотности. Почему плотность одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях различна? (На 1 м3 приходится разная масса вещества.)

Занимательный опыт:

– Нальем в измерительный стакан воду, опустим туда стальной шарик, пробковый шарик и чеснок. Почему стальной шарик тонет, а остальные всплывают на поверхность? Добавим растительное масло. Объясните, почему чеснок находится между водой и маслом?
– На чашках уравновешенных весов лежат кубики. Одинаковы ли плотности веществ, из которых сделаны кубики?


Рис. 1

Ответ: (ρ1< ρ2).

V. Озвучивание домашнего задания.

– § 21, рабочая тетрадь, стр. 41, упр. 2 и упр. 3

VI. Рефлексия.

– Перед вами кружочки красного, желтого, зеленого цветов. Те из вас, кто понял тему урока, поднимают зеленый кружочек; те, кто понял частично – желтый; те, кто совсем ничего не понял – красный.

Литература:

  1. Рабочая тетрадь по физике: 7 класс: к учебнику А. В. Пёрышкина “Физика 7 класс”/ Р. Д. Минькова, В. В. Иванова. – 2-е изд., стереотип. – М.: Издательство “Экзамен”, 2010. – 142, [2] с.
  2. Сборник задач по физике: 7–9 кл.: к учебникам А. В. Пёрышкина и др. “Физика. 7 класс”, “Физика. 8 класс”, “Физика. 9 класс”/ А. В. Пёрышкин; Сост. Н. В. Филонович.-5-е изд., стереотип. – М.: Издательство “Экзамен”, 2010. – 190, [2].
  3. Тематическое и поурочное планирование по физике: 7 класс: К учебнику А. В. Перышкина “Физика. 7 класс”/ Р. Д. Минькова, Е. Н. Панаиоти. – 2-е изд.-М.: Издательство “Экзамен”, 2004. – 127, [1] с.: ил.
  4. Физика. 7 кл.: учеб.для общеобразоват. учреждений/А. В. Пёрышкин. – 14-е изд., стереотип. – М. Дрофа, 2010. – 192 с.:ил.
  5. Чеботарева А. В. Тесты по физике: 7 класс: к учебнику А. В. Перышкина “Физика. 7 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений”/ 3-е изд., стереотип.-М.: Издательство “Экзамен”, 2010. – 159 с.

Физика. Плотность и масса | 7 класс Онлайн

Конспект по физике для 7 класса «Плотность и масса». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое плотность вещества. Как определить плотность вещества, зная его массу и объём. Какова единица плотности в СИ. ВСПОМНИТЕ: Что такое масса тела? Что такое объём тела?

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике


Плотность и масса

В окружающем нас мире встречаются тела, имеющие массы от очень маленьких до огромных. От чего же зависит масса тела? Наш жизненный опыт подсказывает, что шарик, сделанный из ваты, легче, чем шарик того же размера из металла. Почему?

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО СРАВНЕНИЮ МАССЫ ТЕЛ

При помощи весов сравним массы двух цилиндров из железа, имеющих разные объёмы. Опыт показывает, что масса большого цилиндра больше массы маленького цилиндра. Следовательно, масса тела зависит от его объёма.

Теперь сравним массы двух цилиндров, имеющих равные объемы, но изготовленных из разных материалов (например, из железа и алюминия). Опыт показывает, что масса цилиндра из железа больше массы цилиндра из алюминия. Следовательно, масса тела зависит от вещества, из которого оно состоит.

Тела с равными массами, но изготовленные из разных веществ имеют разные объёмы.

Результаты поставленного эксперимента объясняются тем, что разные вещества имеют разную плотность.

ПЛОТНОСТЬ

Плотность показывает, чему равна масса вещества в единице объёма (например, в 1 м3 или в 1 см3). Как найти плотность вещества?

Например, известно, что сосновый брусок объёмом 2 м3 имеет массу 800 кг. Тогда брусок объёмом 1 м3 будет иметь массу в 2 раза меньшую, т. е. 400 кг. Таким образом, плотность сосны равна 400 кг на 1 м3.

Итак, если известны масса тела и его объём, можно определить плотность.

Плотность — это физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму. Плотность принято обозначать греческой буквой ρ (читается «ро»).

ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ

В Международной системе единиц (СИ) за единицу плотности принимают килограмм на кубический метр (1 кг/м3). На практике также используют единицу грамм на кубический сантиметр (1 г/см3):

Если известно, что в 1 см3 содержится 1,35 г мёда, то для того, чтобы подсчитать, сколько килограммов меда содержится в кубическом метре, надо 1,35 умножить на 1000. Таким образом, плотность мёда равна 1350 кг/м3.

Так как все вещества состоят из атомов, то масса любого тела должна зависеть от массы атомов и от того, насколько плотно «упакованы» атомы и молекулы в веществе.

Плотность вещества можно определить, умножив массу одной молекулы на их количество, содержащееся в 1 м3. Современные приборы позволяют достаточно точно определить массу одной молекулы. Используя это значение, а также зная массу единицы объема вещества, можно определить количество молекул в единице объёма. Таким способом определено, что в 1 м3 чистой воды содержится 3,34*1028 молекул.

Молекулы вещества находятся на разном расстоянии друг от друга в газообразном, жидком и твёрдом агрегатном состоянии. Их количество в единице объема сильно различается, следовательно, будет различаться и плотность. Это объясняет, например, почему плотность вещества в жидком состоянии превышает его плотность в газообразном состоянии.

ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ

Плотность одного и того же вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях различна. Плотность вещества зависит от внешних условий. Например, плотность газов существенно зависит от температуры.


Вы смотрели Конспект по физике для 7 класса «Плотность и масса»: Что такое плотность вещества. Как определить плотность вещества, зная его массу и объём. Какова единица плотности в СИ.
Вернуться к Списку конспектов по физике (В оглавление).

Пройти онлайн-тест «Физика 7 класс: Масса и плотность»

Плотность вещества | Физика

Тела, изготовленные из разных веществ, при одинаковых объемах имеют разные массы. Например, железо объемом 1 м3 имеет массу 7800 кг, а свинец того же объема — 13000 кг.

Физическую величину, показывающую, чему равна масса вещества в единице объема (т. е., например, в одном кубическом метре или в одном кубическом сантиметре), называют плотностью вещества.

Чтобы выяснить, как найти плотность данного вещества, рассмотрим следующий пример. Известно, что льдина объемом 2 м3 имеет массу 1800 кг. Тогда 1 м3 льда будет иметь массу, в 2 раза меньшую. Разделив 1800 кг на 2 м3, получим 900 кг/м3. Это и есть плотность льда.

Итак, чтобы определить плотность вещества, надо массу тела разделить на его объем:Обозначим величины, входящие в это выражение, буквами:

m — масса тела, V — объем тела, ρ — плотность тела (ρ—греческая буква «ро»).

Тогда формулу для вычисления плотности можно записать в следующем виде:Единицей плотности в СИ является килограмм на кубический метр (1 кг/м3). На практике плотность вещества выражают также в граммах на кубический сантиметр (г/см3). Для установления связи между этими единицами учтем, что

1 г = 0,001 кг, 1 см3 = 0,000001 м3.

ПоэтомуПлотность одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии различна. Например, плотность воды равна 1000 кг/м3, льда — 900 кг/м3, а водяного пара (при 00 С и нормальном атмосферном давлении) – 0,59 кг/м3.

Таблица 3

Плотности некоторых твердых тел

Таблица 4

Плотности некоторых жидкостей

Таблица 5

Плотности некоторых газов


(Плотности тел, указанные в таблицах 3-5, вычислены при нормальном атмосферном давлении и при температуре для газов 0 0C, для жидкотей и твердых тел при 20 0C.)

1. Что показывает плотность? 2. Что надо сделать, чтобы определить плотность вещества, зная массу тела и его объем? 3. Какие единицы плотности вы знаете? Как они соотносятся друг с другом? 4. Три кубика – из мрамора, льда и латуни – имеют одинаковый объем. Какой из них имеет наибольшую массу, какой – наименьшую? 5. Два кубика – из золота и серебра – имеют одинаковую массу. Какой из них имеет больший объем? 6. У какого из цилиндров, изображенных на рисунке 22, больше плотность? 7. Масса каждого из тел, изображенных на рисунке 23, равна 1 т. У какого из них меньше плотность?

Плотность | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите плотность.
  • Рассчитайте массу резервуара по его плотности.
  • Сравните и сопоставьте плотности различных веществ.

Что весит больше: тонна перьев или тонна кирпичей? Эта старая загадка играет с различием между массой и плотностью. Тонна — это, конечно, тонна; но кирпичи имеют гораздо большую плотность, чем перья, и поэтому мы склонны думать о них как о более тяжелых.(См. Рисунок 1.)

Рис. 1. Тонна перьев и тонна кирпичей имеют одинаковую массу, но перья составляют гораздо большую кучу, потому что они имеют гораздо меньшую плотность.

Плотность , как вы увидите, важная характеристика веществ. Это очень важно, например, при определении того, тонет ли объект в жидкости или плавает. Плотность — это масса единицы объема вещества или объекта. В форме уравнения плотность определяется как

.

[латекс] \ rho = \ frac {m} {V} \\ [/ latex],

, где греческая буква ρ (ро) обозначает плотность, м — массу, а V — объем, занимаемый веществом.

Плотность

Плотность — это масса единицы объема.

[латекс] \ rho = \ frac {m} {V} \\ [/ latex],

, где ρ — символ плотности, м — масса, а V — объем, занимаемый веществом.

В загадке о перьях и кирпичах массы те же, но объем, занимаемый перьями, намного больше, так как их плотность намного меньше. Единица измерения плотности в системе СИ — кг / м 3 , характерные значения приведены в таблице 1.{3} \ text {или} \ text {г / мл} \ right) \\ [/ latex] Твердые вещества Жидкости Газы Алюминий 2,7 Вода (4ºC) 1.000 Воздух 1,29 × 10 −3 Латунь 8,44 Кровь 1.05 Двуокись углерода 1,98 × 10 −3 Медь (в среднем) 8.8 Морская вода 1.025 Окись углерода 1,25 × 10 −3 Золото 19,32 Меркурий 13,6 Водород 0,090 × 10 −3 Чугун или сталь 7,8 Спирт этиловый 0,79 Гелий 0,18 × 10 −3 Свинец 11,3 Бензиновый 0.68 Метан 0,72 × 10 −3 Полистирол 0,10 Глицерин 1,26 Азот 1,25 × 10 −3 Вольфрам 19,30 Оливковое масло 0,92 Закись азота 1,98 × 10 −3 Уран 18,70 Кислород 1,43 × 10 −3 Бетон 2.30–3,0 Пар (100º C) 0.60 × 10 −3 Пробка 0,24 Стекло обычное (среднее) 2,6 Гранит 2,7 Земная кора 3,3 Дерево 0,3–0,9 Лед (0 ° C) 0,917 Кость 1,7–2,0

Как видно из таблицы 1, плотность объекта может помочь определить его состав.Плотность золота, например, примерно в 2,5 раза больше плотности железа, что примерно в 2,5 раза больше плотности алюминия. Плотность также кое-что говорит о фазе материи и ее субструктуре. Обратите внимание, что плотности жидкостей и твердых тел примерно сопоставимы, что согласуется с тем фактом, что их атомы находятся в тесном контакте. Плотность газов намного меньше, чем у жидкостей и твердых тел, потому что атомы в газах разделены большим количеством пустого пространства.

Эксперимент на вынос Сахар и соль

Кучка сахара и кучка соли выглядят очень похоже, но что весит больше? Если объемы обеих стопок одинаковы, любая разница в массе связана с их разной плотностью (включая воздушное пространство между кристаллами).Как вы думаете, какая плотность больше? Какие ценности вы нашли? Какой метод вы использовали для определения этих значений?

Пример 1. Расчет массы резервуара по его объему

Водохранилище имеет площадь 50,0 км 2 и среднюю глубину 40,0 м. Какая масса воды удерживается за плотиной? (См. Рис. 2, где показан вид на большое водохранилище — плотину «Три ущелья» на реке Янцзы в центральном Китае.)

Стратегия

Объем резервуара V можно рассчитать исходя из его размеров, а плотность воды ρ найти в таблице 1.Тогда массу м можно найти из определения плотности

[латекс] \ rho = \ frac {m} {V} \\ [/ латекс]. {2} \ right) \ left (\ text {40.{\ text {12}} \ text {kg} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение

Большой резервуар содержит очень большую массу воды. В этом примере вес воды в резервуаре составляет мг = 1,96 × 10 13 Н, где g — это ускорение силы тяжести Земли (около 9,80 м / с 2 ). Разумно спросить, должна ли плотина обеспечивать силу, равную этому огромному весу. Ответ — нет. Как мы увидим в следующих разделах, сила, которую должна придать плотина, может быть намного меньше веса воды, которую она сдерживает.

Рисунок 2. Плотина Три ущелья в центральном Китае. После завершения строительства в 2008 году она стала крупнейшей в мире гидроэлектростанцией, вырабатывающей электроэнергию, эквивалентную мощности, вырабатываемой 22 атомными электростанциями средней мощности. Бетонная плотина имеет высоту 181 м и ширину 2,3 км. Протяженность водохранилища, образованного этой плотиной, составляет 660 км. Создание водохранилища привело к перемещению более 1 миллиона человек. (кредит: Le Grand Portage)

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1.Примерно как плотность воздуха меняется с высотой?

2. Приведите пример, в котором плотность используется для идентификации вещества, составляющего объект. Потребуется ли информация в дополнение к средней плотности для идентификации веществ в объекте, состоящем из более чем одного материала?

3. На рис. 3 показан стакан с ледяной водой, наполненный до краев. Будет ли вода переливаться, когда лед тает? Поясните свой ответ.

Рисунок 3.

Задачи и упражнения

1.Золото продается тройскими унциями (31,103 г). Каков объем 1 тройской унции чистого золота?

2. Ртуть обычно поставляется в колбах по 34,5 кг (около 76 фунтов). Каков объем в литрах такого количества ртути?

3. а) Какова масса глубокого вдоха объемом 2,00 л? б) Обсудите влияние такого вдоха на объем и плотность вашего тела.

4, Простой метод определения плотности объекта — измерить его массу, а затем измерить его объем, погрузив его в градуированный цилиндр.Какова плотность камня весом 240 г, вытесняющего 89,0 см 3 воды? (Обратите внимание, что точность и практическое применение этого метода более ограничены, чем у множества других, основанных на принципе Архимеда.)

5. Предположим, у вас есть кофейная кружка с круглым поперечным сечением и вертикальными сторонами (равномерный радиус). Каков его внутренний радиус, если он вмещает 375 г кофе при заполнении на глубину 7,50 см? Предположим, кофе имеет ту же плотность, что и вода.

6.(a) Прямоугольный бензобак вмещает 50,0 кг бензина в полном объеме. Какова глубина резервуара, если его ширина 0,500 м, длина 0,900 м? (b) Обсудите, имеет ли этот бензобак разумный объем для легкового автомобиля.

7. Уплотнитель мусора может уменьшить объем его содержимого до 0,350 от первоначального значения. Если пренебречь массой вытесненного воздуха, во сколько раз увеличивается плотность мусора?

8. Стальная канистра для бензина на 2,50 кг вмещает 20,0 л бензина в полном объеме.Какова средняя плотность полной канистры с газом с учетом объема, занятого сталью, а также бензином?

9. Какова плотность 18-каратного золота, состоящего из 18 частей золота, 5 частей серебра и 1 части меди? (Эти значения являются массовыми частями, а не объемом.) Предположим, что это простая смесь, имеющая среднюю плотность, равную взвешенным плотностям ее составляющих.

10. Между атомами в твердых телах и жидкостях относительно мало пустого пространства, так что средняя плотность атома примерно такая же, как у материи в макроскопическом масштабе — приблизительно 10 3 кг / м 3 .Ядро атома имеет радиус примерно 10 -5 радиуса атома и содержит почти всю массу всего атома. а) Какова приблизительная плотность ядра? (б) Один остаток сверхновой, называемый нейтронной звездой, может иметь плотность ядра. Каким был бы радиус нейтронной звезды с массой в 10 раз больше, чем у нашего Солнца (радиус Солнца 7 × 10 8 )?

Глоссарий

плотность:
Масса единицы объема вещества или предмета

Избранные решения проблем и упражнения

1.1,610 см 3

3. (а) 2,58 г (б) Объем вашего тела увеличивается за счет объема вдыхаемого вами воздуха. Средняя плотность вашего тела уменьшается, когда вы делаете глубокий вдох, потому что плотность воздуха значительно меньше, чем средняя плотность тела до того, как вы сделали глубокий вдох.

4. 2,70 г / см 3

6. (a) 0,163 м (b) Эквивалент 19,4 галлона, что является разумным

8. 7.9 × 10 2 кг / м 3

9.15,6 г / см 3

10. (а) 10 18 кг / м 3 (б) 2 × 10 4 м

Сводка — Гипертекст по физике

  • … эластичность
  • плотность
  • давление…
Гипертекст по физике
© 1998–2021 Гленн Элерт
Автор, иллюстратор, веб-мастер

Нет постоянных условий.

  1. Механика
    1. Кинематика
      1. Движение
      2. Расстояние и перемещение
      3. Скорость и скорость
      4. Разгон
      5. Уравнения движения
      6. Свободное падение
      7. Графики движения
      8. Кинематика и расчет
      9. Кинематика в двух измерениях
      10. Снарядов
      11. Параметрические уравнения
    2. Динамика I: Сила
      1. Силы
      2. Сила и масса
      3. Действие-реакция
      4. Масса
      5. Динамика
      6. Статика
      7. Трение
      8. Силы в двух измерениях
      9. Центростремительная сила
      10. Кадры справки
    3. Энергия
      1. Работа
      2. Энергия
      3. Кинетическая энергия
      4. Потенциальная энергия
      5. Сохранение энергии
      6. Мощность
      7. Простые машины
    4. Dynamics II: Импульс
      1. Импульс и импульс
      2. Сохранение импульса
      3. Импульс и энергия
      4. Импульс в двух измерениях
    5. Вращательное движение
      1. Кинематика вращения
      2. Инерция вращения
      3. Вращательная динамика
      4. Статика вращения
      5. Угловой момент
      6. Энергия вращения
      7. Прокатный
      8. Вращение в двух измерениях
      9. Сила Кориолиса
    6. Планетарное движение
      1. Геоцентризм
      2. Гелиоцентризм
      3. Вселенская гравитация
      4. Орбитальная механика I
      5. Гравитационная потенциальная энергия
      6. Орбитальная механика II
      7. Плотность вытянутых тел
    7. Периодическое движение
      1. Пружины
      2. Генератор простых гармоник
      3. Маятники
      4. Резонанс
      5. Эластичность
    8. Жидкости
      1. Плотность
      2. Давление
      3. Плавучесть
      4. Расход жидкости
      5. Вязкость
      6. Аэродинамическое сопротивление
      7. Режимы потока
  2. Теплофизика
    1. Тепло и температура
      1. Температура
      2. Тепловое расширение
      3. Атомная природа вещества
      4. Закон о газе
      5. Кинетико-молекулярная теория
      6. Фазы
    2. Калориметрия
      1. Явное тепло
      2. Скрытое тепло
      3. Химическая потенциальная энергия
    3. Теплопередача
      1. Проводимость
      2. Конвекция
      3. Радиация
    4. Термодинамика
      1. Тепло и работа
      2. Диаграммы давление-объем
      3. Двигатели
      4. Холодильники
      5. Энергия и энтропия
      6. Абсолютный ноль
  3. Волны и оптика
    1. Волновые явления
      1. Природа волн
      2. Периодические волны
      3. Интерференция и суперпозиция
      4. Интерфейсы и барьеры
    2. Звук
      1. Природа звука
      2. Интенсивность
      3. Эффект Доплера (звук)
      4. Ударные волны
      5. Дифракция и интерференция (звук)
      6. Стоячие волны
      7. ударов
      8. Музыка и шум
    3. Физическая оптика
      1. Природа света
      2. Поляризация
      3. Эффект Доплера (световой)
      4. Черенковское излучение
      5. Дифракция и интерференция (свет)
      6. Тонкопленочная интерференция
      7. Цвет
    4. Геометрическая оптика
      1. Отражение
      2. Преломление
      3. Зеркала сферические
      4. Сферические линзы
      5. Аберрация
  4. Электричество и магнетизм
    1. Электростатика
      1. Электрический заряд
      2. Закон Кулона
      3. Электрическое поле
      4. Электрический потенциал
      5. Закон Гаусса
      6. Проводников
    2. Электростатические приложения
      1. Конденсаторы
      2. Диэлектрики
      3. Батареи
    3. Электрический ток
      1. Электрический ток
      2. Электрическое сопротивление
      3. Электроэнергия
    4. цепей постоянного тока
      1. Резисторы в цепях
      2. Батареи в цепях
      3. Конденсаторы в цепях
      4. Правила Кирхгофа
    5. Магнитостатика
      1. Магнетизм
      2. Электромагнетизм
      3. Закон Ампера
      4. Электромагнитная сила
    6. Магнитодинамика
      1. Электромагнитная индукция
      2. Закон Фарадея
      3. Закон Ленца
      4. Индуктивность
    7. цепей переменного тока
      1. Переменный ток
      2. RC цепи
      3. Цепи РЛ
      4. Цепи LC
    8. Электромагнитные волны
      1. Уравнения Максвелла
      2. Электромагнитные волны
      3. Электромагнитный спектр
  5. Современная физика
    1. Теория относительности
      1. Пространство-время
      2. Масса-энергия
      3. Общая теория относительности
    2. Quanta
      1. Излучение черного тела
      2. Фотоэффект
      3. Рентгеновские снимки
      4. Антиматерия
    3. Волновая механика
      1. Волны материи
      2. Атомарные модели
      3. Полупроводники
      4. Конденсированные вещества
    4. Ядерная физика
      1. Изотопы
      2. Радиоактивный распад
      3. Период полураспада
      4. Энергия связи
      5. Деление
      6. Fusion
      7. Нуклеосинтез
      8. Ядерное оружие
      9. Радиобиология
    5. Физика элементарных частиц
      1. Квантовая электродинамика
      2. Квантовая хромодинамика
      3. Квантовая динамика вкусов
      4. Стандартная модель
      5. Помимо стандартной модели
  6. Фонды
    1. квартир
      1. Международная система единиц
      2. Гауссова система единиц
      3. Британо-американская система единиц
      4. Разные единицы
      5. Время
      6. Преобразование единиц
    2. Измерение
      1. Значащие цифры
      2. По порядку величины
    3. Графики
      1. Графическое представление данных
      2. Линейная регрессия
      3. Подгонка кривой
      4. Исчисление
    4. Векторы
      1. Тригонометрия
      2. Сложение и вычитание векторов
      3. Векторное разрешение и компоненты
      4. Умножение векторов
    5. ссылку
      1. Специальные символы
      2. Часто используемые уравнения
      3. Физические константы
      4. Астрономические данные
      5. Периодическая таблица элементов
      6. Люди в физике
  7. Назад дело
    1. Предисловие
      1. Об этой книге
    2. Связаться с автором
      1. гленнелерт.нас
      2. Behance
      3. Instagram
      4. Твиттер
      5. YouTube
    3. Аффилированные сайты
      1. hypertextbook.com
      2. midwoodscience.org

Что такое плотность — Физика | Определение и расчет

Плотность определяется как масса на единицу объема . Это интенсивное свойство , которое математически определяется как масса, разделенная на объем:

ρ = m / V

На словах плотность (ρ) вещества — это общая масса (m) этого вещества. деленное на общий объем (V), занимаемый этим веществом.Стандартная единица СИ составляет килограммов на кубический метр ( кг / м 3 ). Стандартная английская единица — фунта массы на кубический фут ( фунт / фут 3 ).

Плотность (ρ) вещества обратно пропорциональна его удельному объему (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

Удельный объем — это интенсивная переменная , тогда как объем — обширная переменная. Типичные плотности различных веществ при атмосферном давлении.

Стандартная единица измерения удельного объема в системе СИ — кубические метры на килограмм (м 3 / кг). Стандартная единица английской системы — кубический фут на фунт массы (фут 3 / фунт).

Изменения плотности

Как правило, плотность может быть изменена путем изменения давления или температуры . Увеличение давления всегда увеличивает на плотность материала. Влияние давления на плотности жидкостей, и твердых тел, очень мало.С другой стороны, на плотность газов сильно влияет давление. Это выражается сжимаемостью . Сжимаемость — это мера относительного изменения объема жидкости или твердого вещества в ответ на изменение давления.

Влияние температуры на плотность жидкостей и твердых тел также очень важно. Большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении . Однако степень расширения или сжатия варьируется в зависимости от материала.Это явление известно как тепловое расширение . Изменение объема материала, который претерпевает изменение температуры, определяется следующим соотношением:

где ∆T — изменение температуры, V — исходный объем, ∆V — изменение объема и α V — это коэффициент объемного расширения .

Следует отметить, что из этого правила есть исключения. Например, вода отличается от большинства жидкостей тем, что становится менее плотной по мере замерзания .Он имеет максимальную плотность при 3,98 ° C (1000 кг / м 3 ), тогда как плотность льда составляет 917 кг / м 3 . Он отличается примерно на 9%, и поэтому ледяные поплавки на жидкой воде

Ускорение теплоносителя в активной зоне реактора

См. Также: Ускорение жидкости — потеря давления

Это иллюстративный пример, следующие данные не соответствуют ни одной конструкции реактора. расходов в реакторе. Это иллюстративный пример, данные не отражают конструкцию реактора.

Реакторы с водой под давлением охлаждаются и замедляются жидкой водой под высоким давлением (например, 16 МПа). При таком давлении вода закипает примерно при 350 ° C (662 ° F). Температура воды на входе около 290 ° C (~ 720 кг / м 3 ). Вода (теплоноситель) нагревается в активной зоне реактора примерно до 325 ° C (~ 654 кг / м 3 ), когда вода протекает через активную зону.

Первичный контур типичных PWR разделен на 4 независимых контура (диаметр трубопровода ~ 700 мм), каждый контур включает парогенератор и один главный насос охлаждающей жидкости.Внутри корпуса реактора высокого давления (КР) теплоноситель сначала течет вниз за пределы активной зоны реактора (через сливной стакан). Со дна сосуда высокого давления поток направляется вверх через активную зону, где температура хладагента увеличивается на , когда он проходит через топливные стержни и сборки, образованные ими.

Рассчитать:

  • Потеря давления из-за ускорения теплоносителя в изолированном топливном канале

при

  • скорость потока на входе в канал равна 5.17 м / с
  • скорость потока на выходе из канала равна 5,69 м / с

Решение:

Тогда потеря давления из-за ускорения теплоносителя в изолированном топливном канале составляет:

Этот факт имеет важные последствия. Из-за разной относительной мощности тепловыделяющих сборок в активной зоне эти тепловыделяющие сборки имеют разное гидравлическое сопротивление , и это может вызвать локальный боковой поток теплоносителя первого контура, что необходимо учитывать при теплогидравлических расчетах.

См. Также: Как плотность влияет на реактивность реактора

Самые плотные материалы на Земле

Поскольку нуклонов ( протонов и нейтронов ) составляют большую часть массы обычных атомов, плотность нормального вещества имеет тенденцию быть ограничивается тем, насколько плотно мы можем упаковать эти нуклоны, и зависит от внутренней атомной структуры вещества. самый плотный материал , обнаруженный на Земле, — это металлический осмий , но его плотность бледнеет по сравнению с плотностями экзотических астрономических объектов, таких как белые карликовые звезды и нейтронные звезды .

Список наиболее плотных материалов:

  1. Осмий — 22,6 x 10 3 кг / м 3
  2. Иридий — 22,4 x 10 3 кг / м 3
  3. Платина — 21,5 x 10 3 кг / м 3
  4. Рений — 21,0 x 10 3 кг / м 3
  5. Плутоний — 19,8 x 10 3 кг / м 3
  6. Золото — 19,3 x 10 3 кг / м 3
  7. Вольфрам — 19,3 x 10 3 кг / м 3
  8. Уран — 18.8 x 10 3 кг / м 3
  9. Тантал — 16,6 x 10 3 кг / м 3
  10. Ртуть — 13,6 x 10 3 кг / м 3
  11. Родий — 12,4 x 10 3 кг / м 3
  12. Торий — 11,7 x 10 3 кг / м 3
  13. Свинец — 11,3 x 10 3 кг / м 3
  14. Серебро — 10,5 x 10 3 кг / м 3

Следует отметить, что плутоний является искусственным изотопом и создается из урана в ядерных реакторах.Но на самом деле ученые обнаружили следы природного плутония.

Если мы включим антропогенные элементы, то самым плотным пока является Калий . Калий — химический элемент с символом Hs и атомным номером 108. Это синтетический элемент (впервые синтезированный в Хассе в Германии) и радиоактивный. Самый стабильный известный изотоп, 269 Hs , имеет период полураспада примерно 9,7 секунды. Его расчетная плотность составляет 40.7 x 10 3 кг / м 3 . Плотность калия является результатом его высокого атомного веса и значительного уменьшения ионных радиусов элементов в ряду лантанидов, известных как лантанид и сокращение актинида .

За плотностью калия следует Meitnerium (элемент 109, названный в честь физика Лиз Мейтнер), который имеет расчетную плотность 37,4 x 10 3 кг / м 3 .

Плотность — важное свойство защиты от гамма-излучения

См. Также: Защита от гамма-излучения

Короче говоря, эффективное экранирование гамма-излучения в большинстве случаев основано на использовании материалов с двумя следующими свойствами:

  • высокая плотность материал.
  • материал с высоким атомным номером (материалы с высоким Z)

Однако материалы с низкой плотностью и материалы с низким Z можно компенсировать увеличенной толщиной, которая так же важна, как плотность и атомный номер в экранировании.

Свинец широко используется в качестве гамма-защиты. Основным преимуществом свинцового экрана является его компактность за счет более высокой плотности. С другой стороны, обедненный уран намного более эффективен из-за его более высокого Z. Обедненный уран используется для защиты в портативных источниках гамма-излучения.

В атомных электростанциях защита активной зоны реактора может быть обеспечена материалами корпуса реактора, внутренних устройств реактора (отражателя нейтронов). Также тяжелый бетон обычно используется для защиты от нейтронов и гамма-излучения.

Плотность различных материалов — Примеры

Плотность воды — Удельный объем

Чистая вода имеет самую высокую плотность 1000 кг / м 3 при температуре 3,98 o С (39,2 o F). Вода отличается от большинства жидкостей тем, что становится менее плотной при замерзании . Он имеет максимальную плотность при 3,98 ° C (1000 кг / м 3 ), тогда как плотность льда составляет 917 кг / м 3 .Он отличается примерно на 9% и поэтому плавает по льду на жидкой воде. Следует отметить, что изменение плотности не является линейным с температурой, потому что объемный коэффициент теплового расширения для воды не является постоянным во всем температурном диапазоне. Плотность воды (1 грамм на кубический сантиметр) изначально использовалась для определения грамма. Плотность (⍴) вещества обратно пропорциональна его удельному объему (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ν

Удельный объем (ν) вещества — это общий объем (V) этого вещества, деленный на общую массу (m) этого вещества (объем на единицу массы).Он имеет единицы кубический метр на килограмм ( м3 / кг).

Плотность тяжелой воды

Чистая тяжелая вода (D 2 O) имеет плотность примерно на на 11% больше, чем вода , но в остальном физически и химически подобна.

Это различие вызвано тем, что ядро ​​дейтерия вдвое тяжелее ядра водорода . Поскольку около 89% молекулярной массы воды приходится на один атом кислорода, а не на два атома водорода, масса молекулы тяжелой воды существенно не отличается от массы нормальной молекулы воды.Молярная масса воды M (H 2 O) = 18,02, а молярная масса тяжелой воды M (D 2 O) = 20,03 (каждое ядро ​​дейтерия содержит один нейтрон в отличие от ядра водорода), поэтому тяжелая вода (D 2 O) имеет плотность примерно на 11% больше (20,03 / 18,03 = 1,112).

Чистая тяжелая вода (D 2 O) имеет максимальную плотность 1106 кг / м 3 при температуре 11,6 o C (52.9 o F). Кроме того, тяжелая вода отличается от большинства жидкостей тем, что становится менее плотной при замерзании . Его максимальная плотность составляет 11,6 o C (1106 кг / м 3 ), тогда как плотность твердого льда составляет 1017 кг / м 3 . Следует отметить, что изменение плотности не является линейным с температурой, потому что объемный коэффициент теплового расширения для воды не является постоянным во всем температурном диапазоне.

Плотность пара

Вода и пар являются обычными средами, потому что их свойства очень хорошо известны . Их свойства приведены в так называемых таблицах « Steam Tables » . В этих таблицах основные и ключевые свойства, такие как давление, температура, энтальпия, плотность , и удельная теплоемкость, сведены в таблицу вдоль кривой парожидкостной насыщенности в зависимости от температуры и давления.

Плотность (⍴) любого вещества обратно пропорциональна его удельному объему ().

ρ = m / V = ​​1/

Удельный объем () вещества — это общий объем (V) этого вещества, деленный на общую массу (м) этого вещества (объем на единицу массы). Он имеет единицы кубический метр на килограмм ( м3 / кг).

Плотность стали

Плотность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов, но обычно составляет от 7,5 x 10 3 кг / м 3 до 8 x 10 3 кг / м 3 .

Плотность циркония

Обычно цирконий имеет очень низкое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов, высокую твердость, пластичность и коррозионную стойкость.Одно из основных применений циркониевых сплавов — это ядерная технология в качестве оболочки тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах из-за очень низкого поперечного сечения поглощения (в отличие от нержавеющей стали). Плотность типичного циркониевого сплава составляет около 6,6 x 10 3 кг / м 3 .

Плотность урана

Уран — это природный химический элемент с атомным номером 92, что означает, что в атомной структуре 92 протона и 92 электрона. Природный уран состоит в основном из изотопа 238 U (99.28%), поэтому атомная масса элемента урана близка к атомной массе изотопа 238 U (238,03u). Природный уран также состоит из двух других изотопов: 235 U (0,71%) и 234 U (0,0054%). Уран имеет самый высокий атомный вес среди исходных элементов. Металлический уран имеет очень высокую плотность 19,1 г / см 3 , более плотную, чем свинец (11,3 г / см 3 ), но немного менее плотную, чем вольфрам и золото (19,3 г / см 3 ).

Металлический уран — один из самых плотных материалов на Земле:

  1. Осмий — 22,6 x 10 3 кг / м 3
  2. Иридий — 22,4 x 10 3 кг / м 3
  3. Платина — 21,5 x 10 3 кг / м 3
  4. Рений — 21,0 x 10 3 кг / м 3
  5. Плутоний — 19,8 x 10 3 кг / м 3
  6. Золото — 19,3 x 10 3 кг / м 3
  7. Вольфрам — 19.3 x 10 3 кг / м 3
  8. Уран — 18,8 x 10 3 кг / м 3
  9. Тантал — 16,6 x 10 3 кг / м 3
  10. Ртуть — 13,6 x 10 3 кг / м 3
  11. Родий — 12,4 x 10 3 кг / м 3
  12. Торий — 11,7 x 10 3 кг / м 3
  13. Свинец — 11,3 x 10 3 кг / м 3
  14. Серебро — 10,5 x 10 3 кг / м 3

Но в большинстве LWR используется урановое топливо , которое находится в форме диоксида урана .Диоксид урана — это черный полупроводник с очень низкой теплопроводностью. С другой стороны, диоксид урана имеет очень высокую температуру плавления и хорошо известное поведение.

Двуокись урана имеет значительно меньшую плотность, чем уран в металлической форме. Диоксид урана имеет плотность 10,97 г / см 3 , но это значение может изменяться в зависимости от выгорания топлива, поскольку при низком выгорании может происходить уплотнение окатышей, а при более высоком выгорании — набухание.

Плотность ядерной материи

Ядерная плотность — это плотность ядра атома.Это отношение массы к единице объема внутри ядра. Поскольку атомное ядро ​​несет большую часть массы атома, а атомное ядро ​​очень мало по сравнению со всем атомом, ядерная плотность очень высока.

Ядерная плотность для типичного ядра может быть приблизительно рассчитана по размеру ядра и его массе. Типичные радиусы ядер составляют порядка 10 −14 м . Предполагая сферическую форму, радиусы ядер можно рассчитать по следующей формуле:

r = r 0 .A 1/3

, где r 0 = 1,2 x 10 -15 m = 1,2 фм

Например, природный уран состоит в основном из изотопа 238 U (99,28%), следовательно, атомный Масса элемента урана близка к атомной массе изотопа 238 U (238,03u). Его радиус этого ядра будет:

r = r 0 . A 1/3 = 7,44 фм.

Если предположить, что он сферический, его объем будет:

V = 4πr 3 /3 = 1.73 x 10 -42 м 3 .

Обычное определение ядерной плотности дает ее плотность:

ρ ядро ​​ = m / V = ​​238 x 1,66 x 10 -27 / (1,73 x 10 -42 ) = 2,3 x 10 17 кг / м 3 .

Таким образом, плотность ядерного материала более чем в 2,10 14 раз превышает плотность воды. Это огромная плотность. Описательный термин ядерная плотность также применяется к ситуациям, в которых наблюдаются такие же высокие плотности, например, внутри нейтронных звезд.Такие огромные плотности обнаруживаются также у нейтронных звезд.

Плотность нейтронной звезды

Самым плотным веществом на Земле является металлический осмий, но его плотность бледнеет по сравнению с плотностями экзотических астрономических объектов, таких как белые карлики и нейтронные звезды.

Нейтронная звезда — коллапсировавшее ядро ​​большой звезды (обычно красного гиганта). Нейтронные звезды — самые маленькие и самые плотные звезды из известных, и они вращаются чрезвычайно быстро .Нейтронная звезда — это гигантское атомное ядро ​​диаметром около 11 км, состоящее в основном из нейтронов. Считается, что под огромным давлением коллапсирующих массивных звезд, превращающихся в сверхновую, электроны и протоны могут объединяться, образуя нейтроны посредством электронного захвата, высвобождая огромное количество нейтрино.

Они настолько плотные, что одна чайная ложка их материала имела бы массу более 5,5 × 10 12 кг. Предполагается, что они имеют плотности от 3,7 × 10 17 до 6 × 10 17 кг / м 3 , что сопоставимо с приблизительной плотностью ядра атома, равной 2.3 × 10 17 кг / м 3 .

Ссылки:

Reactor Physics and Thermal Hydraulics:
  1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
  2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
  3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
  4. Glasstone, Сесонске.Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994, ISBN: 978-0412985317
  5. Тодреас Нил Э., Казими Муджид С. Ядерные системы Том I: Основы теплогидравлики, второе издание. CRC Press; 2 издание, 2012 г., ISBN: 978-0415802871
  6. Зохури Б., МакДэниел П. Термодинамика в системах атомных электростанций. Springer; 2015, ISBN: 978-3-319-13419-2
  7. Моран Михал Дж., Шапиро Ховард Н. Основы инженерной термодинамики, пятое издание, John Wiley & Sons, 2006, ISBN: 978-0-470-03037-0
  8. Кляйнштройер К.Современная гидродинамика. Springer, 2010 г., ISBN 978-1-4020-8670-0.
  9. Министерство энергетики США, ТЕРМОДИНАМИКА, ТЕПЛООБМЕН И ПОТОК ЖИДКОСТИ. Справочник по основам DOE, том 1, 2 и 3. Июнь 1992 г.

См. Выше:

Термодинамические свойства

Плотность — плотность — GCSE Physics (Single Science) Revision

Плотность — это масса на единицу объема . Его можно измерить несколькими способами.

Самый точный способ рассчитать плотность любого твердого вещества, жидкости или газа — разделить его массу в килограммах на его объем (длина × ширина × высота) в кубических метрах.

Плотность можно найти с помощью уравнения:

\ [Density = \ frac {mass} {volume} \]

\ [\ rho = \ frac {m} {v} \]

Единицей измерения плотности является кг / м 3 . Плотность воды составляет примерно 1000 кг / м 3 , а плотность воздуха составляет примерно 1,2 кг / м 3 .

Если твердых предметов помещают в воду и они тонут, их плотность выше плотности воды (1000 кг / м 3 ). Обратное также верно.

Если несколько жидкостей , которые не смешиваются (несмешивающиеся), помещаются в один и тот же контейнер, наименее плотная жидкость поднимется наверх, а самая плотная опускается на дно.Это также верно для газов , но их часто труднее увидеть, потому что газы имеют тенденцию очень легко смешиваться друг с другом.

Взгляните на эту практическую демонстрацию относительной плотности жидкостей:

Не все объекты имеют регулярные объемы, которые легко измерить. В этих случаях можно использовать « эврика ».

Расчет объема твердого тела с помощью банки Eureka

Банка Eureka — это емкость, достаточно большая, чтобы вместить объект с носиком, расположенным рядом с верхом.Банка доверху наполняется водой и помещается в нее предмет. Объем объекта равен объему воды, протекающей через носик.

Банки Eureka названы в честь ученого по имени Архимед, который первым записал эту идею. Иногда их еще называют водоизмещающими судами .

Введение в плотность: определение и расчет

Плотность материала определяется как его масса на единицу объема. Другими словами, плотность — это соотношение между массой и объемом или массой на единицу объема.Это мера того, сколько «материала» имеет объект в единице объема (кубический метр или кубический сантиметр). Плотность — это, по сути, мера того, насколько плотно скомпонована материя. Принцип плотности был открыт греческим ученым Архимедом, и его легко вычислить, если вы знаете формулу и понимаете связанные с ней единицы.

Формула плотности

Чтобы вычислить плотность (обычно обозначается греческой буквой « ρ ») объекта, возьмите массу ( м ) и разделите ее на объем ( v ):

ρ = м / v

Единица плотности в системе СИ — килограмм на кубический метр (кг / м 3 ).Он также часто выражается в граммах на кубический сантиметр (г / см 3 ).

Как найти плотность

При изучении плотности может быть полезно решить примерную задачу, используя формулу для плотности, как упоминалось в предыдущем разделе. Напомним, что хотя плотность действительно представляет собой массу, разделенную на объем, она часто измеряется в граммах на кубический сантиметр, потому что граммы представляют собой стандартный вес, а кубические сантиметры представляют объем объекта.

Для решения этой задачи возьмите соляной кирпич размером 10,0 см x 10,0 см x 2,0 см, который весит 433 грамма. Чтобы найти плотность, используйте формулу, которая поможет вам определить количество массы на единицу объема, или:

ρ = м / об

В этом примере у вас есть размеры объекта, поэтому вам нужно рассчитать объем. Формула объема зависит от формы объекта, но это простой расчет для коробки:

v = длина x ширина x толщина
v = 10.0 см x 10,0 см x 2,0 см
v = 200,0 см 3

Теперь, когда у вас есть масса и объем, рассчитайте плотность следующим образом:

ρ = м / об
ρ = 433 г / 200,0 см 3
ρ = 2,165 г / см 3

Таким образом, плотность соляного кирпича составляет 2,165 г / см 3 .

Использование плотности

Одно из наиболее распространенных применений плотности — это взаимодействие различных материалов при смешивании.Дерево плавает в воде, потому что имеет более низкую плотность, а якорь тонет, потому что у металла более высокая плотность. Гелиевые шары плавают, потому что плотность гелия ниже плотности воздуха.

Когда ваша автомобильная сервисная станция проверяет различные жидкости, например трансмиссионную жидкость, она наливает часть жидкости в ареометр. В ареометре есть несколько калиброванных объектов, некоторые из которых плавают в жидкости. Наблюдая за тем, какой из объектов плавает, сотрудники СТО могут определить плотность жидкости.В случае трансмиссионной жидкости этот тест показывает, нужно ли сотрудникам СТО немедленно заменить ее, или же в жидкости еще есть срок службы.

Плотность позволяет вычислить массу и объем, если дано другое количество. Поскольку плотность обычных веществ известна, этот расчет довольно прост, по форме. (Обратите внимание, что символ звездочки — * — используется, чтобы избежать путаницы с переменными для объема и плотности, ρ и v , соответственно.)

v * ρ = м или
м
/ ρ = v

Изменение плотности также может быть полезно при анализе некоторых ситуаций, например, когда происходит химическое преобразование и выделяется энергия. Например, заряд аккумуляторной батареи представляет собой кислотный раствор. Когда батарея разряжает электричество, кислота соединяется со свинцом в батарее с образованием нового химического вещества, что приводит к снижению плотности раствора.Эту плотность можно измерить, чтобы определить уровень оставшегося заряда аккумулятора.

Плотность является ключевым понятием при анализе взаимодействия материалов в механике жидкости, погоде, геологии, материаловедении, инженерии и других областях физики.

Удельный вес

Понятие, связанное с плотностью, — это удельный вес (или, что более уместно, относительная плотность) материала, который представляет собой отношение плотности материала к плотности воды. Объект с удельным весом меньше единицы будет плавать в воде, в то время как удельный вес больше единицы означает, что он утонет.Именно этот принцип позволяет, например, воздушному шару, наполненному горячим воздухом, плавать по отношению к остальному воздуху.

Что такое плотность? — Объяснение и примеры — Видео и стенограмма урока

Примеры

Примеры плотных материалов включают железо, свинец или платину. Многие виды металла и рока очень плотны. Плотные материалы с большей вероятностью будут «казаться» тяжелыми или твердыми. Хотя разреженный материал (разреженный — противоположность плотному) может казаться тяжелым, если он действительно большой.Примерами редких материалов могут быть пенополистирол, стекло, мягкая древесина, например бамбук, или легкие металлы, например алюминий.

Как правило, газы менее плотны, чем жидкости, а жидкости менее плотны, чем твердые тела. Это связано с тем, что твердые тела имеют плотно упакованные частицы, тогда как жидкости — это материалы, в которых частицы могут скользить друг относительно друга, а в газах частицы могут свободно перемещаться повсюду.

Расчет

Давайте рассмотрим пример использования уравнения плотности, которое, как вы можете вспомнить, состоит в том, что плотность в килограммах на кубический метр равна массе в килограммах, деленной на объем в кубических метрах.

Допустим, у вас есть куб неизвестного твердого тела. Вы измеряете одну из сторон куба, и она имеет длину 0,1 метра. Вы весите куб, а он составляет 7,8 килограмма. Используя эту таблицу данных плотности, определите твердое тело.

Материал Плотность (103 кг / м3)
Алюминий 2,7
Золото 19,3
Свинец 11,4
Утюг 7.8
Резина 1,5
Оконное стекло 2,579
Бамбук 0,35
Дуб 0,77

Ну, прежде всего, мы должны записать то, что мы знаем. Мы знаем, что длина стороны L составляет 0,1 метра, и мы знаем, что масса м составляет 7,8 килограмма. Глядя на наше уравнение, чтобы вычислить плотность, нам понадобятся как масса, так и объем.Итак, сначала нам нужно выяснить объем.

Объем куба равен длине, умноженной на ширину, умноженной на высоту. И все стороны куба одинаковой длины. Таким образом, объем будет 0,1 умножить на 0,1 умножить на 0,1, что составляет 0,001 метра в кубе.

Теперь мы можем подставить числа в уравнение и решить. Общая масса составляет 7,8 кг, разделенные на 0,001 м3, что дает 7800 кг на кубический метр (или 7,8 × 103 кг / м3). Если посмотреть на таблицу данных, это означает, что материал должен быть железным. Вот и все; у нас есть ответ.

Краткое содержание урока

Плотность — это мера того, насколько компактна масса вещества или объекта. Плотность объекта или вещества можно рассчитать по этому уравнению: плотность в килограммах на кубический метр равна массе в килограммах, деленной на объем в кубических метрах. Или, другими словами, плотность — это масса, распределенная по объему. Или, другими словами, это количество килограммов, которое весит 1 метр в кубе вещества.

Плотность очень важна, потому что она связана с тем, поднимаются предметы или опускаются.Менее плотные материалы имеют тенденцию возвышаться над более плотными материалами, особенно в случае жидкостей и газов. Плотность означает, что если вы возьмете два кубика одного размера, сделанные из разных материалов, и взвесите их, они обычно не будут весить одинаково. Это также означает, что огромный куб пенополистирола может весить столько же, сколько крошечный кубик свинца.

Примеры плотных материалов включают железо, свинец или платину. Примеры редких материалов включают пенополистирол, стекло, мягкую древесину, такую ​​как бамбук, или легкие металлы, такие как алюминий.

Результаты обучения

После того, как вы закончите, вы сможете:

  • Определить плотность
  • Сформулируйте уравнение для расчета плотности
  • Назовите несколько плотных и разреженных объектов
  • Рассчитать плотность объекта

Плотность

Рекордный литий-металлический элемент

24 августа 2021 г. — Литий-металлический аккумулятор нового типа достигает чрезвычайно высокой плотности энергии — 560 ватт-часов на килограмм — в пересчете на общий вес активных материалов — с замечательной стабильностью….


Из мусора в сокровища: кремниевые отходы находят новое применение в литий-ионных аккумуляторах

9 февраля 2021 г. — Исследователи использовали стружку Si и ультратонкие листы графита для изготовления электродов литий-ионных аккумуляторов с высокой емкостью и плотностью тока по сниженной цене. Увеличение производства Si стружки как …


Растительные отходы — ключевой ингредиент дешевого и экологически чистого реактивного топлива

21 марта 2019 г. — Ученые разработали процесс преобразования растительных отходов сельского хозяйства и лесозаготовок в авиационное топливо высокой плотности.Их исследования могут помочь снизить выбросы CO2 от самолетов и …


Исследователи взвешивают китов с помощью дронов

2 октября 2019 г. — Исследователи разработали способ точной оценки веса свободноживущих китов, используя только аэрофотоснимки, сделанные …


Прогнозирование плотности воздуха в полете для более точной посадки

2 апреля 2020 г. — Знание плотности воздуха за пределами космического корабля может существенно повлиять на его угол падения и способность поразить конкретную точку приземления.Но датчики, выдерживающие резкий гиперзвук …


Космические аппараты получают больше возможностей для взаимодействия с аэрогравитацией

18 июня 2020 г. — Исследователи составили карту энергетических изменений орбит космических кораблей из-за «помощи аэрогравитации» …


Ученые видят модуляцию энергетического зазора в купратном сверхпроводнике

1 апреля 2020 г. — Ученые, изучающие высокотемпературные сверхпроводники, имеют неопровержимые доказательства существования состояния вещества, известного как волна парной плотности, — впервые предсказанного теоретиками около 50 лет назад.Их …


Машинное обучение связывает состав материалов и производительность в катализаторах

23 августа 2021 г. — В открытии, которое может помочь проложить путь к более чистым видам топлива и более устойчивой химической промышленности, исследователи использовали машинное обучение, чтобы предсказать, как составы металлических сплавов и .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.