ความหนาแน่นเท่ากับอัตราส่วนของมวลต่อปริมาตร ความหนาแน่นของสสาร: สูตร, การคำนวณ สูตรคำนวณความหนาแน่น

การศึกษาความหนาแน่นของสารเริ่มต้นในหลักสูตรฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย แนวคิดนี้ถือเป็นพื้นฐานในการนำเสนอพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลในหลักสูตรฟิสิกส์และเคมีเพิ่มเติม วัตถุประสงค์ของการศึกษาโครงสร้างของสสารและวิธีการวิจัยถือได้ว่าเป็นการก่อตัวของแนวคิดทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับโลก

ฟิสิกส์ให้แนวคิดเบื้องต้นเกี่ยวกับภาพรวมของโลก ชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 ศึกษาความหนาแน่นของสสารบนพื้นฐานของแนวคิดที่ง่ายที่สุดเกี่ยวกับวิธีการวิจัย การประยุกต์แนวคิดและสูตรทางกายภาพในทางปฏิบัติ

วิธีการวิจัยทางกายภาพ

ดังที่ทราบกันดีว่าการสังเกตและการทดลองนั้นแตกต่างกันในวิธีการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ พวกเขาสอนวิธีสังเกตปรากฏการณ์ทางธรรมชาติในโรงเรียนประถมศึกษา โดยวัดแบบง่ายๆ และมักจะเก็บ "ปฏิทินธรรมชาติ" ไว้ รูปแบบการเรียนรู้เหล่านี้สามารถนำพาเด็กไปสู่ความจำเป็นในการศึกษาโลก เปรียบเทียบปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ และระบุความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผล

อย่างไรก็ตาม มีเพียงการทดลองที่ดำเนินการอย่างเต็มรูปแบบเท่านั้นที่จะให้เครื่องมือแก่นักวิจัยรุ่นเยาว์ในการเปิดเผยความลับของธรรมชาติ การพัฒนาทักษะการทดลองและการวิจัยจะดำเนินการในชั้นเรียนภาคปฏิบัติและระหว่างการทำงานในห้องปฏิบัติการ

การทำการทดลองในหลักสูตรฟิสิกส์เริ่มต้นด้วยคำจำกัดความของปริมาณทางกายภาพ เช่น ความยาว พื้นที่ ปริมาตร ในกรณีนี้ มีการสร้างการเชื่อมโยงระหว่างคณิตศาสตร์ (ค่อนข้างเป็นนามธรรมสำหรับเด็ก) และความรู้ทางกายภาพ การดึงดูดประสบการณ์ของเด็กและการพิจารณาข้อเท็จจริงที่เขารู้มาเป็นเวลานานจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์มีส่วนช่วยในการพัฒนาความสามารถที่จำเป็นในตัวเขา เป้าหมายของการเรียนรู้ในกรณีนี้คือความปรารถนาที่จะเข้าใจสิ่งใหม่อย่างอิสระ

การศึกษาความหนาแน่น

ตามวิธีการสอนที่เน้นปัญหาเป็นหลัก ในตอนต้นของบทเรียนคุณสามารถถามปริศนาที่รู้จักกันดี: "อะไรหนักกว่า: ปุยหนึ่งกิโลกรัมหรือเหล็กหล่อหนึ่งกิโลกรัม" แน่นอนว่าเด็กอายุ 11-12 ปีสามารถตอบคำถามที่พวกเขารู้ได้อย่างง่ายดาย แต่เมื่อพิจารณาถึงแก่นแท้ของปัญหา ความสามารถในการเปิดเผยลักษณะเฉพาะของมัน นำไปสู่แนวคิดเรื่องความหนาแน่น

ความหนาแน่นของสารคือมวลต่อหน่วยปริมาตร ตารางซึ่งโดยปกติจะให้ไว้ในตำราเรียนหรือสิ่งพิมพ์อ้างอิง ช่วยให้คุณสามารถประเมินความแตกต่างระหว่างสารต่างๆ รวมถึงสถานะโดยรวมของสารได้ การบ่งชี้ความแตกต่างในคุณสมบัติทางกายภาพของของแข็ง ของเหลว และก๊าซที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ คำอธิบายความแตกต่างนี้ไม่เพียงแต่ในโครงสร้างและการจัดเรียงสัมพัทธ์ของอนุภาคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของคุณลักษณะของสสารด้วย ของฟิสิกส์ไปอีกระดับหนึ่ง

ตารางความหนาแน่นของสารช่วยให้คุณสามารถรวบรวมความรู้เกี่ยวกับความหมายทางกายภาพของแนวคิดที่กำลังศึกษาได้ เด็กตอบคำถาม: "ความหนาแน่นของสารบางชนิดหมายถึงอะไร" เข้าใจว่านี่คือมวล 1 ซม. 3 (หรือ 1 ม. 3) ของสาร

ประเด็นเรื่องหน่วยความหนาแน่นสามารถหยิบยกขึ้นมาได้แล้วในขั้นตอนนี้ จำเป็นต้องพิจารณาวิธีการแปลงหน่วยการวัดในระบบอ้างอิงต่างๆ ทำให้สามารถกำจัดการคิดแบบคงที่และยอมรับระบบการคำนวณอื่นในเรื่องอื่นได้

การกำหนดความหนาแน่น

โดยธรรมชาติแล้ว การศึกษาฟิสิกส์จะไม่สมบูรณ์หากปราศจากการแก้ปัญหา ในขั้นตอนนี้จะมีการแนะนำสูตรการคำนวณ ในวิชาฟิสิกส์ชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 นี่อาจเป็นความสัมพันธ์ทางกายภาพครั้งแรกของปริมาณสำหรับเด็ก ความสนใจเป็นพิเศษไม่เพียงเกิดจากการศึกษาแนวคิดเรื่องความหนาแน่นเท่านั้น แต่ยังเนื่องมาจากความจริงของวิธีการสอนในการแก้ปัญหาด้วย

ในขั้นตอนนี้เองที่มีการวางอัลกอริทึมสำหรับการแก้ปัญหาการคำนวณทางกายภาพ อุดมการณ์ในการใช้สูตรพื้นฐาน คำจำกัดความ และกฎหมาย ครูพยายามสอนการวิเคราะห์ปัญหา วิธีการค้นหาสิ่งที่ไม่รู้ และลักษณะเฉพาะของการใช้หน่วยการวัดโดยใช้ความสัมพันธ์ดังกล่าวเป็นสูตรความหนาแน่นในวิชาฟิสิกส์

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ตรวจสอบว่าลูกบาศก์ประกอบด้วยสารใดที่มีมวล 540 กรัมและมีปริมาตร 0.2 dm 3

ร -? m = 540 ก., V = 0.2 dm 3 = 200 ซม. 3

การวิเคราะห์

จากคำถามของปัญหา เราเข้าใจว่าตารางความหนาแน่นของของแข็งจะช่วยเราระบุวัสดุที่ใช้สร้างลูกบาศก์

ดังนั้นเราจึงกำหนดความหนาแน่นของสาร ในตาราง ค่านี้กำหนดเป็น g/cm 3 ดังนั้นปริมาตรจาก dm 3 จะถูกแปลงเป็น cm 3

สารละลาย

ตามคำจำกัดความ: ρ = m: V.

เราได้รับ: ปริมาตร, มวล ความหนาแน่นของสารสามารถคำนวณได้:

ρ = 540 กรัม: 200 ซม. 3 = 2.7 กรัม/ซม. 3 ซึ่งสอดคล้องกับอะลูมิเนียม

คำตอบ: ลูกบาศก์ทำจากอลูมิเนียม

การหาปริมาณอื่นๆ

การใช้สูตรคำนวณความหนาแน่นช่วยให้คุณสามารถกำหนดปริมาณทางกายภาพอื่นๆ ได้ มวล ปริมาตร ขนาดเชิงเส้นของวัตถุที่เกี่ยวข้องกับปริมาตรนั้นคำนวณได้ง่ายในปัญหา ความรู้เกี่ยวกับสูตรทางคณิตศาสตร์ในการกำหนดพื้นที่และปริมาตรของรูปทรงเรขาคณิตถูกนำมาใช้ในปัญหาซึ่งช่วยอธิบายความจำเป็นในการศึกษาคณิตศาสตร์

ตัวอย่างที่ 2

กำหนดความหนาของชั้นทองแดงที่เคลือบส่วนที่มีพื้นที่ผิว 500 ซม. 2 หากทราบว่าใช้ทองแดง 5 กรัมในการเคลือบ

ชม - ? S = 500 ซม. 2, ม. = 5 ก., ρ = 8.92 ก./ซม. 3

การวิเคราะห์

ตารางความหนาแน่นของสารช่วยให้คุณกำหนดความหนาแน่นของทองแดงได้

ลองใช้สูตรคำนวณความหนาแน่นกัน สูตรนี้ประกอบด้วยปริมาตรของสารซึ่งสามารถกำหนดขนาดเชิงเส้นได้

สารละลาย

ตามคำจำกัดความ: ρ = m: V แต่สูตรนี้ไม่มีค่าที่ต้องการดังนั้นเราจึงใช้:

เมื่อแทนสูตรหลักเราจะได้: ρ = m: Sh โดยที่:

ลองคำนวณดู: h = 5 กรัม: (500 ซม. 2 x 8.92 ก./ซม. 3) = 0.0011 ซม. = 11 ไมครอน

คำตอบ: ความหนาของชั้นทองแดง 11 ไมครอน

การหาค่าความหนาแน่นเชิงทดลอง

ลักษณะการทดลองของวิทยาศาสตร์กายภาพแสดงให้เห็นผ่านการทดลองในห้องปฏิบัติการ ในขั้นตอนนี้จะได้รับทักษะในการทำการทดลองและการอธิบายผลลัพธ์

งานภาคปฏิบัติเพื่อกำหนดความหนาแน่นของสารประกอบด้วย:

• การกำหนดความหนาแน่นของของเหลว ในขั้นตอนนี้ เด็กที่เคยใช้กระบอกตวงมาก่อนสามารถระบุความหนาแน่นของของเหลวได้อย่างง่ายดายโดยใช้สูตร
• การหาความหนาแน่นของวัตถุแข็งที่มีรูปร่างสม่ำเสมอ งานนี้ไม่ต้องสงสัยเลยเนื่องจากปัญหาการคำนวณที่คล้ายกันได้ได้รับการพิจารณาแล้วและได้รับประสบการณ์ในการวัดปริมาตรโดยใช้มิติเชิงเส้นของวัตถุ
• การหาความหนาแน่นของของแข็งที่มีรูปร่างไม่ปกติ เมื่อดำเนินการนี้ เราจะใช้วิธีการกำหนดปริมาตรของวัตถุที่มีรูปร่างผิดปกติโดยใช้บีกเกอร์ เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การระลึกถึงคุณสมบัติของวิธีนี้อีกครั้ง: ความสามารถของวัตถุแข็งในการแทนที่ของเหลวซึ่งมีปริมาตรเท่ากับปริมาตรของร่างกาย จากนั้นปัญหาจะได้รับการแก้ไขด้วยวิธีมาตรฐาน

งานขั้นสูง

คุณสามารถทำให้งานซับซ้อนขึ้นได้โดยขอให้เด็ก ๆ ระบุสารที่ใช้สร้างร่างกาย ตารางความหนาแน่นของสารที่ใช้ในกรณีนี้ช่วยให้เราสามารถดึงความสนใจไปที่ความต้องการความสามารถในการทำงานกับข้อมูลอ้างอิง

เมื่อแก้ไขปัญหาการทดลองนักเรียนจะต้องมีความรู้จำนวนที่จำเป็นในด้านการใช้งานและการแปลงหน่วยการวัด ซึ่งมักเป็นสาเหตุให้เกิดข้อผิดพลาดและการละเว้นจำนวนมากที่สุด บางทีควรจัดสรรเวลาให้มากขึ้นสำหรับการเรียนฟิสิกส์ในขั้นตอนนี้ ซึ่งจะช่วยให้คุณเปรียบเทียบความรู้และประสบการณ์การวิจัยได้

ความหนาแน่นเป็นกลุ่ม

แน่นอนว่าการศึกษาเรื่องสารบริสุทธิ์นั้นน่าสนใจ แต่จะพบสารบริสุทธิ์ได้บ่อยแค่ไหน? ในชีวิตประจำวันเราต้องเผชิญกับสารผสมและโลหะผสม จะทำอย่างไรในกรณีนี้? แนวคิดเรื่องความหนาแน่นรวมจะป้องกันไม่ให้นักเรียนเกิดข้อผิดพลาดทั่วไปในการใช้ความหนาแน่นเฉลี่ยของสาร

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องชี้แจงปัญหานี้เพื่อให้โอกาสในการมองเห็นและรู้สึกถึงความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของสารและความหนาแน่นรวมนั้นคุ้มค่าในระยะแรก การทำความเข้าใจความแตกต่างนี้เป็นสิ่งจำเป็นในการศึกษาฟิสิกส์เพิ่มเติม

ความแตกต่างนี้น่าสนใจอย่างยิ่งในกรณีของการอนุญาตให้เด็กศึกษาความหนาแน่นรวม โดยขึ้นอยู่กับการบดอัดของวัสดุและขนาดของอนุภาคแต่ละชนิด (กรวด ทราย ฯลฯ) ในระหว่างกิจกรรมการวิจัยเบื้องต้น

ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสาร

การเปรียบเทียบคุณสมบัติของสารต่างๆ ค่อนข้างน่าสนใจโดยพิจารณาจากความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสารซึ่งเป็นหนึ่งในปริมาณดังกล่าว

โดยปกติแล้วความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสารจะพิจารณาจากน้ำกลั่น เนื่องจากอัตราส่วนของความหนาแน่นของสารที่กำหนดต่อความหนาแน่นของสารมาตรฐาน ค่านี้จึงถูกกำหนดโดยใช้พิคโนมิเตอร์ แต่ข้อมูลนี้ไม่ได้ใช้ในหลักสูตรวิทยาศาสตร์ของโรงเรียน แต่เป็นข้อมูลที่น่าสนใจสำหรับการศึกษาเชิงลึก (ส่วนใหญ่มักจะเป็นทางเลือก)

การศึกษาฟิสิกส์และเคมีในระดับโอลิมปิกอาจเกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่อง "ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสสารที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน" มักใช้กับก๊าซ ในการหาความหนาแน่นสัมพัทธ์ของก๊าซ ให้ค้นหาอัตราส่วนของมวลโมลาร์ของก๊าซที่ศึกษาต่อการใช้งาน

เหตุใดวัตถุที่มีปริมาตรเท่ากันในอวกาศจึงมีมวลต่างกันได้ มันขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของมัน เราคุ้นเคยกับแนวคิดนี้แล้วในชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 ในปีแรกของการสอนฟิสิกส์ที่โรงเรียน เป็นแนวคิดพื้นฐานทางกายภาพที่สามารถเปิด MKT (ทฤษฎีจลน์ศาสตร์เชิงโมเลกุล) ให้กับบุคคลได้ ไม่เพียงแต่ในหลักสูตรฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในวิชาเคมีด้วย ด้วยความช่วยเหลือ บุคคลสามารถระบุลักษณะของสสารใดๆ ไม่ว่าจะเป็นน้ำ ไม้ ตะกั่ว หรืออากาศ

ประเภทของความหนาแน่น

ดังนั้นนี่คือปริมาณสเกลาร์ที่เท่ากับอัตราส่วนของมวลของสารที่ศึกษาต่อปริมาตรของมันนั่นคือมันสามารถเรียกว่าความถ่วงจำเพาะก็ได้ เขียนแทนด้วยอักษรกรีก "ρ" (อ่านว่า "rho") เพื่อไม่ให้สับสนกับ "p" - ตัวอักษรนี้มักใช้เพื่อแสดงถึงแรงกดดัน

จะหาความหนาแน่นในฟิสิกส์ได้อย่างไร? ใช้สูตรความหนาแน่น: ρ = m/V

ค่านี้สามารถวัดได้ในหน่วย g/l, g/m3 และโดยทั่วไปในหน่วยใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับมวลและปริมาตร ความหนาแน่นมีหน่วย SI คืออะไร? ρ = [กก./ลบ.ม.] การแปลงระหว่างหน่วยเหล่านี้ดำเนินการผ่านการดำเนินการทางคณิตศาสตร์เบื้องต้น อย่างไรก็ตาม เป็นหน่วยวัด SI ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น

นอกจากสูตรมาตรฐานที่ใช้เฉพาะกับของแข็งแล้ว ยังมีสูตรสำหรับก๊าซภายใต้สภาวะปกติ (n.s.)

ρ (แก๊ส) = ​​M/Vm

M คือมวลโมลาร์ของก๊าซ [g/mol] Vm คือปริมาตรโมลของก๊าซ (ภายใต้สภาวะปกติค่านี้คือ 22.4 ลิตร/โมล)

หากต้องการให้คำจำกัดความแนวคิดนี้ให้ครบถ้วนยิ่งขึ้น ควรชี้แจงให้ชัดเจนว่าหมายถึงปริมาณอะไร.

• ความหนาแน่นของวัตถุที่เป็นเนื้อเดียวกันคืออัตราส่วนของมวลของร่างกายต่อปริมาตรอย่างแม่นยำ
• นอกจากนี้ยังมีแนวคิดเรื่อง "ความหนาแน่นของสาร" นั่นคือความหนาแน่นของร่างกายที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันหรือกระจายสม่ำเสมอซึ่งประกอบด้วยสารนี้ ค่านี้เป็นค่าคงที่ มีตาราง (ซึ่งคุณอาจใช้ในบทเรียนฟิสิกส์) ที่มีค่าสำหรับสารของแข็ง ของเหลว และก๊าซต่างๆ ดังนั้น ค่าน้ำนี้คือ 1,000 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร เมื่อรู้ค่านี้และตัวอย่างเช่นปริมาตรของอ่างเราสามารถกำหนดมวลของน้ำที่จะใส่เข้าไปได้โดยการแทนที่ค่าที่ทราบเป็นรูปแบบข้างต้น
• อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าสารทุกชนิดจะเป็นเนื้อเดียวกัน สำหรับคนเช่นนี้ คำว่า "ความหนาแน่นของร่างกายโดยเฉลี่ย" ได้ถูกสร้างขึ้น เพื่อให้ได้ค่านี้ จำเป็นต้องค้นหา ρ ของแต่ละองค์ประกอบของสารที่กำหนดแยกจากกัน และคำนวณค่าเฉลี่ย

วัตถุที่มีรูพรุนและเป็นเม็ดเล็กมี:

• ความหนาแน่นที่แท้จริงซึ่งพิจารณาโดยไม่คำนึงถึงช่องว่างในโครงสร้าง
• ความหนาแน่นจำเพาะ (ชัดเจน) ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยการหารมวลของสารด้วยปริมาตรทั้งหมดที่สารนั้นครอบครอง

ปริมาณทั้งสองนี้มีความสัมพันธ์กันโดยค่าสัมประสิทธิ์ความพรุน - อัตราส่วนของปริมาตรของช่องว่าง (รูขุมขน) ต่อปริมาตรรวมของร่างกายที่กำลังศึกษา

ความหนาแน่นของสารสามารถขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ และบางปัจจัยก็สามารถเพิ่มค่านี้สำหรับสารบางชนิดไปพร้อมๆ กันและลดค่าของสารอื่นๆ ไปพร้อมๆ กัน ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิต่ำค่านี้มักจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม มีสารจำนวนหนึ่งที่ความหนาแน่นมีพฤติกรรมผิดปกติในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด สารเหล่านี้ได้แก่ เหล็กหล่อ น้ำ และทองแดง (โลหะผสมของทองแดงและดีบุก)

ตัวอย่างเช่น ρ ของน้ำมีค่าสูงสุดที่อุณหภูมิ 4 °C และเมื่อเทียบกับค่านี้ น้ำสามารถเปลี่ยนแปลงได้ทั้งในระหว่างการทำความร้อนและความเย็น

นอกจากนี้ยังควรค่าแก่การกล่าวด้วยว่าเมื่อสารผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง (ของแข็ง-ของเหลว-ก๊าซ) นั่นคือเมื่อสถานะของการรวมตัวเปลี่ยนแปลง ρ ก็เปลี่ยนค่าของมันด้วยและทำเช่นนั้นแบบกระโดด: มันจะเพิ่มขึ้นในระหว่างการเปลี่ยนจาก ก๊าซเป็นของเหลวและระหว่างการตกผลึกของของเหลว อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นหลายประการที่นี่เช่นกัน ตัวอย่างเช่น บิสมัทและซิลิคอนมีค่าน้อยในการแข็งตัว ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: เมื่อน้ำตกผลึก นั่นคือ เมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็ง ประสิทธิภาพก็จะลดลงด้วย และนั่นคือสาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ

วิธีคำนวณความหนาแน่นของวัตถุต่างๆ ง่ายๆ

เราจะต้องมีอุปกรณ์ดังต่อไปนี้:

• ตาชั่ง
• เซนติเมตร (การวัด) หากร่างกายที่ศึกษาอยู่ในสถานะรวมตัวที่มั่นคง
• ขวดวัดปริมาตร หากสารที่จะทดสอบเป็นของเหลว

ขั้นแรก เราจะวัดปริมาตรของร่างกายที่กำลังศึกษาโดยใช้ขวดวัดปริมาตรหรือเซนติเมตร ในกรณีของของเหลว เราเพียงแค่ดูสเกลที่มีอยู่แล้วจดผลลัพธ์ไว้ สำหรับคานไม้ทรงลูกบาศก์ มันจะเท่ากับค่าด้านที่ยกกำลังสามตามไปด้วย เมื่อวัดปริมาตรแล้วให้วางร่างกายภายใต้การศึกษาบนตาชั่งแล้วจดค่ามวล สำคัญ! หากคุณกำลังตรวจสอบของเหลวอย่าลืมคำนึงถึงมวลของภาชนะที่เทสารที่จะตรวจสอบเข้าไปด้วย เราแทนที่ค่าที่ได้จากการทดลองลงในสูตรที่อธิบายไว้ข้างต้นและคำนวณตัวบ่งชี้ที่ต้องการ

ต้องบอกว่าตัวบ่งชี้สำหรับก๊าซต่าง ๆ นี้ยากกว่ามากในการคำนวณโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษ ดังนั้นหากคุณต้องการค่าของพวกมัน ควรใช้ค่าสำเร็จรูปจากตารางความหนาแน่นของสาร

นอกจากนี้ยังใช้เครื่องมือพิเศษในการวัดค่านี้:

• พิคโนมิเตอร์แสดงความหนาแน่นที่แท้จริง
• ไฮโดรมิเตอร์ได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดตัวบ่งชี้นี้ในของเหลว
• สว่านของ Kaczynski และสว่านของ Seidelman เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตรวจสอบดิน
• เครื่องวัดความหนาแน่นของแรงสั่นสะเทือนใช้ในการวัดปริมาณของเหลวและก๊าซต่างๆ ที่กำหนดภายใต้ความดัน

ความหนาแน่นเป็นตัวแปรทางกายภาพของสารที่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับมวลและปริมาตรของมัน ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้มักจะถูกกำหนดโดยสูตร p = m / V โดยที่ p คือความหนาแน่นของสาร m คือมวลของมัน และ V คือปริมาตร ดังนั้นสารที่มีปริมาตรเท่ากัน แต่มีมวลต่างกัน จึงมีความหนาแน่นต่างกันอย่างเห็นได้ชัด สิ่งเดียวกันอาจกล่าวได้ว่าหากมีมวลเท่ากัน สารใดๆ มีปริมาตรต่างกัน

ในบรรดาสสารอื่นๆ บนโลก ก๊าซมีความหนาแน่นต่ำที่สุด ตามกฎแล้วของเหลวนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและค่าสูงสุดของตัวบ่งชี้นี้สามารถพบได้ในของแข็ง ตัวอย่างเช่น ออสเมียมถือเป็นโลหะที่มีความหนาแน่นมากที่สุด

การวัดความหนาแน่น

ในการวัดความหนาแน่น เช่นเดียวกับสาขาวิชาอื่นๆ แนวคิดนี้จึงได้นำหน่วยการวัดที่ซับซ้อนพิเศษมาใช้ โดยอิงตามความสัมพันธ์ของความหนาแน่นกับมวลและปริมาตรของสาร ดังนั้น ในระบบหน่วยวัดสากล SI หน่วยที่ใช้อธิบายความหนาแน่นของสารคือ กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งโดยปกติจะแสดงเป็น กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร

อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่สารมีปริมาตรน้อยมากซึ่งจำเป็นต้องวัดความหนาแน่น ให้ใช้อนุพันธ์ของหน่วยที่ยอมรับโดยทั่วไปซึ่งแสดงเป็นจำนวนกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ในรูปแบบย่อ หน่วยนี้มักจะเขียนแทน g/cm³

นอกจากนี้ ความหนาแน่นของสารต่างๆ มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ในกรณีส่วนใหญ่ การลดลงของอุณหภูมิส่งผลให้ความหนาแน่นของสารเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น อากาศธรรมดาที่อุณหภูมิ +20°C มีความหนาแน่นเท่ากับ 1.20 กก./ลบ.ม. ในขณะที่เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 0°C ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นเป็น 1.29 กก./ลบ.ม. และเมื่อลดลงอีกเป็น -50°C ความหนาแน่นของอากาศจะอยู่ที่ 1.58 กก./ลบ.ม. ในเวลาเดียวกันสารบางชนิดเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นไม่เป็นไปตามรูปแบบที่ระบุซึ่งรวมถึงน้ำด้วย

ใช้เครื่องมือทางกายภาพหลายชนิดเพื่อวัดความหนาแน่นของสาร ตัวอย่างเช่น คุณสามารถวัดความหนาแน่นของของเหลวโดยใช้ไฮโดรมิเตอร์ และหากต้องการระบุความหนาแน่นของสารที่เป็นของแข็งหรือก๊าซ คุณสามารถใช้พิคโนมิเตอร์ได้

ความหนาแน่น- ปริมาณทางกายภาพที่แสดงคุณสมบัติทางกายภาพของสารซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของมวลของร่างกายต่อปริมาตรที่วัตถุนี้ครอบครอง

ความหนาแน่น (ความหนาแน่นของวัตถุที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือความหนาแน่นเฉลี่ยของวัตถุที่ต่างกัน) สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

[ρ] = กิโลกรัม/ลบ.ม.; [ม.] = กก.; [V] = ลบ.ม.

ที่ไหน ม- น้ำหนักตัว วี- ปริมาณของมัน; สูตรเป็นเพียงสัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์สำหรับนิยามของคำว่า "ความหนาแน่น"

สารทุกชนิดประกอบด้วยโมเลกุล ดังนั้นมวลของร่างกายจึงประกอบด้วยมวลโมเลกุลของมันด้วย ซึ่งคล้ายกับว่ามวลของถุงขนมคือผลรวมของมวลของลูกอมทั้งหมดในถุง หากลูกอมทั้งหมดเท่ากัน มวลของถุงขนมสามารถกำหนดได้โดยการคูณมวลของลูกอมหนึ่งชิ้นด้วยจำนวนลูกอมในถุง

โมเลกุลของสารบริสุทธิ์จะเหมือนกัน ดังนั้น มวลของหยดน้ำจึงเท่ากับผลคูณของมวลของน้ำ 1 โมเลกุลและจำนวนโมเลกุลในหยดนั้น

ความหนาแน่นของสารจะแสดงมวลของสารนี้ 1 m³

ความหนาแน่นของน้ำคือ 1,000 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร ซึ่งหมายความว่ามวลของน้ำ 1 ลูกบาศก์เมตรคือ 1,000 กิโลกรัม จำนวนนี้สามารถหาได้โดยการคูณมวลของโมเลกุลของน้ำหนึ่งโมเลกุลด้วยจำนวนโมเลกุลที่มีอยู่ในปริมาตร 1 m³
ความหนาแน่นของน้ำแข็งคือ 900 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร ซึ่งหมายความว่ามวลของน้ำแข็ง 1 ลูกบาศก์เมตรคือ 900 กิโลกรัม
บางครั้งมีการใช้หน่วยความหนาแน่น g/cm³ ดังนั้นเราจึงสามารถพูดเช่นนั้นได้มวลน้ำแข็ง 1 ซม. เท่ากับ 0.9 กรัม

สารแต่ละชนิดมีปริมาตรที่แน่นอน และอาจกลายเป็นว่า ปริมาตรของวัตถุทั้งสองเท่ากันและมีมวลต่างกัน ในกรณีนี้พวกเขาบอกว่าความหนาแน่นของสารเหล่านี้แตกต่างกัน

อีกด้วย เมื่อมวลของวัตถุทั้งสองเท่ากันปริมาณจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ปริมาตรของน้ำแข็งมากกว่าปริมาตรของแท่งเหล็กเกือบ 9 เท่า

ความหนาแน่นของสารขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นมักจะลดลง นี่เป็นเพราะการขยายตัวทางความร้อน เมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้นในขณะที่มวลยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

เมื่ออุณหภูมิลดลง ความหนาแน่นก็จะเพิ่มขึ้น แม้ว่าจะมีสารที่มีความหนาแน่นมีพฤติกรรมแตกต่างออกไปในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด เช่น น้ำ ทองแดง เหล็กหล่อ ดังนั้นความหนาแน่นของน้ำจึงมีค่าสูงสุดที่ 4 °C และลดลงทั้งอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อเทียบกับค่านี้

เมื่อสถานะของการรวมตัวเปลี่ยนแปลง ความหนาแน่นของสารจะเปลี่ยนทันที ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะก๊าซเป็นของเหลว และเมื่อของเหลวแข็งตัว น้ำ ซิลิคอน บิสมัท และสารอื่นๆ บางชนิดเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ เนื่องจากความหนาแน่นของสารเหล่านี้จะลดลงเมื่อแข็งตัว

การแก้ปัญหา

ภารกิจที่ 1
แผ่นโลหะสี่เหลี่ยมยาว 5 ซม. กว้าง 3 ซม. หนา 5 มม. มีมวล 85 กรัม ทำจากวัสดุอะไรได้บ้าง

การวิเคราะห์ปัญหาทางกายภาพเพื่อตอบคำถามที่วางไว้จำเป็นต้องกำหนดความหนาแน่นของสารที่ใช้ทำแผ่น จากนั้น เมื่อใช้ตารางความหนาแน่น เพื่อพิจารณาว่าค่าความหนาแน่นที่พบสอดคล้องกับสารใด ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ในหน่วยเหล่านี้ (เช่น โดยไม่ต้องแปลงเป็น SI)

ภารกิจที่ 2
ลูกบอลทองแดงปริมาตร 200 ซม. 3 มีมวล 1.6 กก. ตรวจสอบว่าลูกบอลนี้แข็งหรือว่างเปล่า หากลูกบอลว่างเปล่า ให้กำหนดปริมาตรของช่อง

การวิเคราะห์ปัญหาทางกายภาพถ้าปริมาตรของทองแดงน้อยกว่าปริมาตรของทองแดงทรงกลม V

ภารกิจที่ 3
กระป๋องที่บรรจุน้ำได้ 20 กิโลกรัมจะเต็มไปด้วยน้ำมันเบนซิน กำหนดมวลของน้ำมันเบนซินในกระป๋อง

การวิเคราะห์ปัญหาทางกายภาพในการหามวลของน้ำมันเบนซินในกระป๋อง เราจำเป็นต้องค้นหาความหนาแน่นของน้ำมันเบนซินและความจุของกระป๋อง ซึ่งเท่ากับปริมาตรของน้ำ เรากำหนดปริมาตรของน้ำตามมวลและความหนาแน่น เราค้นหาความหนาแน่นของน้ำและน้ำมันเบนซินในตาราง การแก้ปัญหาในหน่วย SI จะดีกว่า

ภารกิจที่ 4
โลหะผสมทำจากดีบุก 800 ซม. 3 และตะกั่ว 100 ซม. 3 ความหนาแน่นของมันคืออะไร? อัตราส่วนมวลของดีบุกและตะกั่วในโลหะผสมคือเท่าไร?

คำนิยาม

น้ำหนักเป็นปริมาณทางกายภาพสเกลาร์ที่แสดงลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติเฉื่อยและแรงโน้มถ่วงของวัตถุ

ร่างกายใดก็ตาม “ต่อต้าน” พยายามที่จะเปลี่ยนแปลงมัน คุณสมบัติของวัตถุนี้เรียกว่าความเฉื่อย ตัวอย่างเช่น คนขับไม่สามารถหยุดรถได้ทันทีเมื่อเห็นคนเดินถนนจู่ๆ ก็กระโดดขึ้นไปบนถนนข้างหน้าเขา ด้วยเหตุผลเดียวกัน จึงเป็นการยากที่จะย้ายตู้เสื้อผ้าหรือโซฟา ภายใต้อิทธิพลเดียวกันจากวัตถุที่อยู่รอบๆ วัตถุหนึ่งสามารถเปลี่ยนความเร็วได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่อีกวัตถุหนึ่งสามารถเปลี่ยนได้ช้ากว่ามากภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน กล่าวกันว่าวัตถุที่สองมีความเฉื่อยมากกว่าหรือมีมวลมากกว่า

ดังนั้นการวัดความเฉื่อยของร่างกายคือมวลเฉื่อย หากวัตถุทั้งสองมีปฏิสัมพันธ์กัน ผลที่ตามมาก็คือความเร็วของวัตถุทั้งสองจะเปลี่ยนไป กล่าวคือ ในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ ร่างทั้งสองได้รับ

อัตราส่วนของโมดูลความเร่งของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์เท่ากับอัตราส่วนผกผันของมวล:

การวัดปฏิกิริยาระหว่างแรงโน้มถ่วงคือมวลความโน้มถ่วง

มีการทดลองแล้วว่ามวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนกัน โดยการเลือกสัมประสิทธิ์สัดส่วนเท่ากับความสามัคคี พวกเขาพูดถึงความเท่าเทียมกันของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง

ในระบบเอสไอ หน่วยมวลคือกิโลกรัม.

มวลมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

1. มวลจะเป็นค่าบวกเสมอ
2. มวลของระบบวัตถุจะเท่ากับผลรวมของมวลของแต่ละวัตถุที่รวมอยู่ในระบบเสมอ (คุณสมบัติบวก)
3. ภายในกรอบ มวลไม่ได้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติและความเร็วของการเคลื่อนไหวของร่างกาย (คุณสมบัติไม่แปรเปลี่ยน)
4. มวลของระบบปิดจะถูกรักษาไว้ในระหว่างการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนต่างๆ ของระบบกับกันและกัน (กฎการอนุรักษ์มวล)

ความหนาแน่นของสาร

ความหนาแน่นของร่างกายคือมวลต่อหน่วยปริมาตร:

หน่วยวัด ความหนาแน่นในระบบ SI กก./ม .

สารต่างมีความหนาแน่นต่างกัน ความหนาแน่นของสารขึ้นอยู่กับมวลของอะตอมที่ประกอบด้วยส่วนประกอบนั้น และความหนาแน่นของการอัดแน่นของอะตอมและโมเลกุลในสารนั้น ยิ่งมวลอะตอมมาก ความหนาแน่นของสสารก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย ในสถานะการรวมกลุ่มที่แตกต่างกัน ความหนาแน่นของการอัดแน่นของอะตอมของสารจะแตกต่างกัน ในของแข็ง อะตอมจะถูกอัดแน่นมาก ดังนั้นสารในสถานะของแข็งจึงมีความหนาแน่นสูงสุด ในสถานะของเหลว ความหนาแน่นของสารไม่แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากความหนาแน่นในสถานะของแข็ง เนื่องจากความหนาแน่นของการอัดแน่นของอะตอมยังคงสูง ในก๊าซโมเลกุลจะถูกยึดติดกันอย่างอ่อนและเคลื่อนตัวออกจากกันในระยะทางไกล ความหนาแน่นของการอัดตัวของอะตอมในสถานะก๊าซจึงต่ำมาก ดังนั้นในสถานะนี้สารจึงมีความหนาแน่นต่ำที่สุด

จากข้อมูลจากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ ความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารในจักรวาลได้ถูกกำหนดไว้ ผลการคำนวณบ่งชี้ว่า โดยเฉลี่ยแล้ว พื้นที่รอบนอกนั้นมีน้อยมาก หากเรา "กระจาย" สสารไปทั่วทั้งปริมาตรของกาแล็กซีของเรา ความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารในนั้นจะเท่ากับประมาณ 0.000 000 000 000 000 000 000 000 5 กรัม/ซม.3 ความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารในจักรวาลอยู่ที่ประมาณหกอะตอมต่อลูกบาศก์เมตร

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ออกกำลังกาย	ลูกบอลเหล็กหล่อขนาด 125 ซม. มีมวล 800 กรัม ลูกบอลชิ้นนี้แข็งหรือกลวง
สารละลาย	ลองคำนวณความหนาแน่นของลูกบอลโดยใช้สูตร: ลองแปลงหน่วยเป็นระบบ SI: ปริมาตร ซม ม.; น้ำหนัก กรัม กิโลกรัม ตามตาราง ความหนาแน่นของเหล็กหล่อคือ 7000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร เนื่องจากค่าที่เราได้รับน้อยกว่าค่าตาราง ลูกบอลจึงกลวง
คำตอบ	ลูกบอลกลวง

ตัวอย่างที่ 2

ออกกำลังกาย	ในระหว่างอุบัติเหตุเรือบรรทุกน้ำมัน เกิดแผ่นดินลื่นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 640 ม. และความหนาเฉลี่ย 208 ซม. ก่อตัวขึ้นในอ่าวไทย
สารละลาย	สมมติว่าคราบน้ำมันมีลักษณะกลม เราจะกำหนดพื้นที่ของมัน: โดยคำนึงถึงความจริงที่ว่า ปริมาตรของชั้นน้ำมันเท่ากับผลคูณของพื้นที่เรียบและความหนา: ความหนาแน่นของน้ำมัน: มวลน้ำมันที่หกรั่วไหลมาจากไหน: เราแปลงหน่วยเป็นระบบ SI: ความหนาเฉลี่ย cm m
คำตอบ	มีน้ำมันอยู่ในทะเลหนึ่งกิโลกรัม

ตัวอย่างที่ 3

ออกกำลังกาย	โลหะผสมประกอบด้วยดีบุกหนัก 2.92 กก. และตะกั่วหนัก 1.13 กก. ความหนาแน่นของโลหะผสมคืออะไร?
สารละลาย	ความหนาแน่นของโลหะผสม: