Nachdem sich die Schüler mit dem Konzept von Masse und Volumen von Substanzen in der Physik vertraut gemacht haben, untersuchen sie eine wichtige Eigenschaft eines jeden Körpers, die Dichte genannt wird. Diesem Wert ist der folgende Artikel gewidmet. Die Fragen nach der physikalischen Bedeutung der Dichte werden im Folgenden aufgedeckt. Die Dichteformel ist ebenfalls angegeben. Methoden für seine experimentelle Messung werden beschrieben.
Das Konzept der Dichte
Beginnen wir den Artikel mit einer direkten Aufzeichnung der Formel für die Materiedichte. Das sieht so aus:
ρ=m / V.
Hier ist m die Masse des betrachteten Körpers. Sie wird im SI-System in Kilogramm ausgedrückt. Bei Aufgaben und in der Praxis findet man auch andere Maßeinheiten, zum Beispiel Gramm oder Tonnen.
Das Symbol V in der Formel bezeichnet das Volumen, das die geometrischen Parameter des Körpers charakterisiert. Es wird in SI in Kubikmetern gemessen, es werden aber auch Kubikkilometer, Liter, Milliliter usw. verwendet.
Die Dichteformel zeigt, welche Masse eines Stoffes in einer Einheit enth alten istVolumen. Anhand des Wertes von ρ kann man abschätzen, welcher der beiden Körper bei gleichen Volumina ein größeres Gewicht haben wird, oder welcher der beiden Körper bei gleichen Massen ein größeres Volumen haben wird. Beispielsweise ist Holz weniger dicht als Eisen. Daher wird bei gleichen Volumina dieser Substanzen die Eisenmasse den gleichen Wert für einen Baum deutlich überschreiten.
Das Konzept der relativen Dichte
Schon der Name dieser Größe weist darauf hin, dass der untersuchte Wert für einen Körper relativ zu einem ähnlichen Merkmal für einen anderen betrachtet wird. Die Formel für die relative Dichte ρr sieht so aus:
ρr=ρs / ρ0.
Wobei ρs die Dichte des gemessenen Materials ist, ρ0 ist die Dichte, gegen die der Wert ρ steht r wird gemessen. Offensichtlich ist ρr dimensionslos. Sie zeigt an, wie oft die gemessene Substanz dichter ist als der gewählte Standard.
Für Flüssigkeiten und Feststoffe wird standardmäßig ρ0 dieser Wert für destilliertes Wasser mit einer Temperatur von 4 oC gewählt. Bei dieser Temperatur hat Wasser eine maximale Dichte, was ein praktischer Wert für Berechnungen ist - 1000 kg/m3 oder 1 kg/l.
Für Gassysteme ist es üblich, die Luftdichte bei atmosphärischem Druck und Temperatur 0 als Standard zu verwenden oC.
Abhängigkeit der Dichte von Druck und Temperatur
Der untersuchte Wert ist für einen bestimmten Körper nicht konstant,wenn Sie die Temperatur oder den Außendruck ändern. Flüssigkeiten und Feststoffe sind jedoch in vielen Situationen inkompressibel, was bedeutet, dass ihre Dichte sowohl bei Druckänderungen als auch bei Temperaturänderungen konstant bleibt.
Der Einfluss des Drucks äußert sich wie folgt: Wenn er zunimmt, nehmen die durchschnittlichen interatomaren und intermolekularen Abstände ab, wodurch die Anzahl der Mole einer Substanz pro Volumeneinheit zunimmt. Die Dichte nimmt also zu. Bei Gasen ist ein deutlicher Druckeinfluss auf die untersuchte Kennlinie zu beobachten.
Temperatur hat den gegenteiligen Effekt von Druck. Mit zunehmender Temperatur steigt die kinetische Energie der Materieteilchen, sie beginnen sich aktiver zu bewegen, was zu einer Zunahme der durchschnittlichen Abstände zwischen ihnen führt. Letzteres führt zu einer Abnahme der Dichte.
Auch dieser Effekt ist bei Gasen stärker ausgeprägt als bei Flüssigkeiten und Feststoffen. Es gibt eine Ausnahme von dieser Regel – das ist Wasser. Es wurde experimentell festgestellt, dass im Temperaturbereich 0-4 oС seine Dichte mit Erwärmung zunimmt.
Homogene und inhomogene Körper
Die oben geschriebene Dichteformel entspricht dem sogenannten Mittelwert ρ für den betrachteten Körper. Wenn wir ihm ein kleines Volumen zuweisen, kann der berechnete Wert ρi stark vom vorherigen Wert abweichen. Diese Tatsache hängt mit dem Vorhandensein einer ungleichmäßigen Verteilung von Masse über Volumen zusammen. In diesem Fall die Dichteρi heißt local.
In Anbetracht der Frage der ungleichmäßigen Verteilung von Materie erscheint es interessant, einen Punkt zu klären. Wenn wir beginnen, ein elementares Volumen in der Nähe von atomaren Skalen zu betrachten, wird das Konzept der mittleren Kontinuität verletzt, was bedeutet, dass es keinen Sinn macht, die lokale Dichtecharakteristik zu verwenden. Es ist bekannt, dass fast die gesamte Masse eines Atoms in seinem Kern konzentriert ist, dessen Radius etwa 10-13 Meter beträgt. Die Dichte des Kerns wird durch eine riesige Zahl geschätzt. Dies ist 2, 31017 kg/m3.
Dichtemessung
Oben wurde gezeigt, dass nach der Formel die Dichte gleich dem Verhältnis von Masse zu Volumen ist. Diese Tatsache ermöglicht es uns, die angegebene Eigenschaft zu bestimmen, indem wir einfach den Körper wiegen und seine geometrischen Parameter messen.
Wenn die Form des Körpers sehr komplex ist, dann ist die universelle Methode zur Bestimmung der Dichte das hydrostatische Wiegen. Es basiert auf der Nutzung der archimedischen Kraft. Das Wesen der Methode ist einfach. Der Körper wird zuerst in Luft und dann in Wasser gewogen. Aus der Gewichtsdifferenz wird die unbekannte Dichte berechnet. Verwenden Sie dazu die folgende Formel:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
wobei P0, Pl - Körpergewicht in Luft und Flüssigkeit. Dementsprechend ist ρl die Dichte der Flüssigkeit.
Die Methode des hydrostatischen Wiegens zur Bestimmung der Dichte wurde der Legende nach erstmals von einem Philosophen aus Syrakus angewandtArchimedes. Er konnte, ohne die physische Unversehrtheit der Krone zu verletzen, feststellen, dass nicht nur Gold, sondern auch andere weniger dichte Metalle zu ihrer Herstellung verwendet wurden.
