Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 17. Густина. Одиниці густини
Ми часто вживаємо вирази «легкий, мов повітря» або «важкий, як свинець». Але чи знаєте ви, що маса повітря всередині супермаркету становить понад 5000 кг? Підняти вантаж такої маси не подужає й силач. Натомість свинцевий тягарець для вудки легко підніме навіть малюк. Тож наведені вирази є хибними? З’ясуємо.
1. Здійснюємо вимірювання та виконуємо розрахунки
ДОСЛІДЖЕННЯ
На рисунку ви бачите два суцільні (такі, що не мають порожнин) свинцеві бруски різного об’єму. Ваше завдання — знайти відношення маси кожного бруска до його об’єму, тобто визначити масу свинцю об’ємом 1 см3:
1) визначте об’єм (V1 і V2) та масу (m1 і m2) кожного бруска;
2) визначте відношення маси кожного бруска до його об’єму
Сподіваємося, що ви все зробили правильно і для обох брусків отримали однакові результати:
Отже, ми встановили, що маса свинцю об’ємом 1 см3 дорівнює 11,3 г.
Як ви вважаєте, чи змінився б одержаний нами результат, якби для експерименту ми взяли суцільні свинцеві бруски вдвічі більшої маси? Якщо б змінився, то в скільки разів?
2. Як визначити густину речовини?
Ми провели розрахунки для тіл, виготовлених зі свинцю. Якщо взяти суцільні тіла, виготовлені, наприклад, із алюмінію, то знову одержимо рівні результати, але вони відрізнятимуться від результатів попереднього досліду. Відношення маси тіла до його об’єму — характеристика не тіла, а речовини, із якої це тіло виготовлено. Цю величину називають густиною речовини.
Густина речовини — це фізична величина, яка характеризує речовину і дорівнює відношенню маси суцільного тіла, виготовленого із цієї речовини, до об'єму цього тіла:
де ρ («ро») — густина речовини; m — маса тіла; V — об'єм тіла (об'єм, зайнятий речовиною).
У СІ одиницею маси є кілограм, а одиницею об’єму — метр кубічний, тому одиниця густини в СІ — кілограм на метр кубічний:
Застосовують також одиницю густини грам на сантиметр кубічний (г/см3):
3. Порівнюємо густини різних речовин
Густини речовин можуть суттєво відрізнятися одна від одної. Саме тому суцільні тіла, однакові за розміром, але виготовлені з різних речовин, будуть мати різну масу (див. рис. 17.1).
Рис. 17.1. Густини речовин є різними, тому, незважаючи на те, що подані речовини займають однаковий об'єм (1 см3),їхні маси суттєво різняться
Орієнтуючись на рис. 17.1, дізнайтесь густину золота. За таблицями густин деяких речовин (наприкінці посібника) визначте масу кубика об'ємом 1 см3, виготовленого з латуні.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
На нашій планеті найщільнішою речовиною є осмій. Його густина — 22,6 г/см3. Але у Всесвіті існують тіла, густина яких значно більша за густину осмію. Йдеться про середню густину нейтронної зорі — 1014-1015 г/см3. Сірникова коробка, наповнена речовиною такої густини, мала б масу понад мільярд тон.
4. Від яких чинників залежить густина речовини?
Якщо речовина змінює свій агрегатний стан, її маса залишається незмінною, оскільки не відбувається жодних змін щодо кількості частинок (молекул, атомів). А от об’єм речовини змінюється, тому що змінюється середня відстань між частинками.
Це особливо стає помітним у разі переходу речовини з рідкого стану в газоподібний (рис. 17.2).
Рис 17.2. Відстань між молекулами рідини набагато менша, ніж відстань між молекулами газу
Середня відстань між частинками збільшується й зі збільшенням температури для речовини, яка не змінює агрегатний стан. Відповідно, зменшується її густина. Хоча зміни незначні.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Звичайна вода не підпорядковується загальним закономірностям: під час нагрівання від 0 °С до 4 °С її густина збільшується. Густина води має й іншу аномалію: вона більша за густину льоду.
5. Як обчислити густину*, масу та об’єм тіла?
Результат обчислення густини суцільного тіла, який необхідно порівняти з даними таблиці густин, дозволяє дізнатися, із якої речовини складається тіло. Щоб визначити густину тіла, досить виміряти його масу і об’єм та визначити відношення маси тіла до його об’єму.
* Звісно, густина — це характеристика речовини, але іноді для скорочення запису або з інших міркувань використвовують термін «густина тіла».
Наприклад, густина речовини, із якої виготовлена фігурка сови на рис. 17.3, дорівнює:
За таблицею густин визначаємо, що фігурка може бути виготовлена з міді.
Рис. 17.3. Фігурка сови, що найімовірніше виготовлена з міді
ДОСЛІДЖЕННЯ
Багато хто з вас колекціонував фігурки з Kinder Surprise. Чи можете ви дізнатися, із якого матеріалу виготовлена фігурка, не пошкоджуючи її? Поміркуйте, як це зробити.
У наведених у параграфі прикладах ми розглядали суцільні однорідні тіла, тобто тіла, що не мають порожнин і складаються з однієї речовини.
Якщо в тілі є порожнини або воно складається з різних речовин (корабель, футбольний м’яч, людина тощо), то говорять про середню густину тіла:
де ρ — середня густина тіла; V — об’єм тіла; m — маса тіла.
Дізнайтеся, скільки ви важите, й оцініть об'єм свого тіла, якщо відомо, що середня густина тіла людини становить близько 1000 кг/м3. Поміркуйте, чому слід саме оцінити, а не визначити точно.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Дайте означення густини речовини. 2. Які вимірювання необхідно здійснити, щоб визначити густину речовини? 3. Які одиниці густини? 4. Як подати густину в грамах на сантиметр кубічний (г/см3), якщо відоме її значення в кілограмах на метр кубічний (кг/м3)? 5. Від яких факторів і як залежить густина речовини? 6. Як обчислити масу тіла за його густиною та об’ємом? 7. Як визначити об’єм тіла за його густиною та масою?
ВПРАВА № 17
1. У циліндрі під поршнем міститься кисень. Поршень починають опускати (див. рисунок). Як при цьому змінюється: а) маса газу? б) об’єм газу? в) густина газу?
2. Густина платини дорівнює 21 500 кг/м3. Якою є маса платини об’ємом 1 м3? об’ємом 1 см3?
3. Значення якої величини ми насправді порівнюємо, коли говоримо: «легкий, мов повітря», «важкий, як свинець»?
4. У яких випадках маси тіл однакового об’єму будуть рівними?
5. Одна з двох однакових посудин наповнена рідким медом, друга — олією. Маса якої рідини більша і в скільки разів?
6. Два кубики мають однакову масу. Перший кубик виготовлений з оргскла, другий — із дуба. Об’єм якого кубика є меншим і в скільки разів?
Ключові терміни
Густина • Кілограм на метр кубічний • Грам на сантиметр кубічний
