بعد أن تعرف الطلاب على مفهوم الكتلة وحجم المواد في الفيزياء ، يدرسون خاصية مهمة لأي جسم تسمى الكثافة. المقالة أدناه مخصصة لهذه القيمة. يتم الكشف عن أسئلة المعنى المادي للكثافة أدناه. تم إعطاء صيغة الكثافة أيضًا. تم وصف طرق القياس التجريبية.
مفهوم الكثافة
لنبدأ المقال بتسجيل مباشر لصيغة كثافة المادة. يبدو كالتالي:
ρ=م / ف
هنا م هي كتلة الجسم المدروس. يتم التعبير عنه في نظام SI بالكيلوجرام. في المهام والممارسة ، يمكنك أيضًا العثور على وحدات قياس أخرى ، على سبيل المثال ، جرامات أو أطنان.
يشير الرمز V في الصيغة إلى الحجم الذي يميز المعلمات الهندسية للجسم. يتم قياسه في SI بالمتر المكعب ، ومع ذلك ، يتم أيضًا استخدام كيلومترات مكعبة ، لترات ، مليلتر ، إلخ.
توضح معادلة الكثافة كتلة المادة الموجودة في الوحدةالصوت. باستخدام قيمة ρ ، يمكن تقدير أي الجسمين سيكون له وزن أكبر بأحجام متساوية ، أو أي الجسمين سيكون له حجم أكبر وكتلتان متساويتان. على سبيل المثال ، الخشب أقل كثافة من الحديد. لذلك ، مع وجود أحجام متساوية من هذه المواد ، ستتجاوز كتلة الحديد بشكل كبير نفس القيمة للشجرة.
مفهوم الكثافة النسبية
يشير اسم هذه الكمية إلى أن القيمة قيد الدراسة لجسم ما سيتم اعتبارها مرتبطة بخاصية مماثلة لجسم آخر. تبدو معادلة الكثافة النسبية ρrكما يلي:
ρr=ρs/ ρ0.
حيث ρsهي كثافة المادة المقاسة ، ρ0هي الكثافة التي مقابلها القيمة ρrتقاس . من الواضح أن ρrبلا أبعاد. يوضح عدد المرات التي تكون فيها المادة المقاسة أكثر كثافة من المعيار المحدد.
للسوائل والمواد الصلبة ، كمعيار ρ0اختر هذه القيمة للمياه المقطرة عند درجة حرارة 4oC. عند درجة الحرارة هذه ، يكون للماء أقصى كثافة ، وهي قيمة مناسبة للحسابات - 1000 كجم / م3أو 1 كجم / لتر.
بالنسبة لأنظمة الغاز ، من المعتاد استخدام كثافة الهواء عند الضغط الجوي ودرجة الحرارة 0 كمعيارoC.
اعتماد الكثافة على الضغط ودرجة الحرارة
القيمة المدروسة ليست ثابتة لجسم معين ،إذا قمت بتغيير درجة حرارته أو ضغطه الخارجي. ومع ذلك ، فإن السوائل والمواد الصلبة غير قابلة للضغط في العديد من المواقف ، مما يعني أن كثافتها تظل ثابتة مع تغير الضغط وكذلك تغيرات درجة الحرارة.
يتجلى تأثير الضغط على النحو التالي: عندما يزداد ، ينخفض متوسط المسافات بين الذرات والجزيئات ، مما يزيد من عدد مولات المادة لكل وحدة حجم. لذا فإن الكثافة تتزايد. لوحظ تأثير واضح للضغط على الخاصية قيد الدراسة في حالة الغازات.
درجة الحرارة لها تأثير معاكس للضغط. مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد الطاقة الحركية لجزيئات المادة ، وتبدأ في التحرك بشكل أكثر نشاطًا ، مما يؤدي إلى زيادة متوسط المسافات بينها. الحقيقة الأخيرة تؤدي إلى انخفاض الكثافة
مرة أخرى ، يكون هذا التأثير أكثر وضوحًا بالنسبة للغازات منه في السوائل والمواد الصلبة. هناك استثناء لهذه القاعدة - هذا هو الماء. ثبت تجريبيا أنه في نطاق درجة الحرارة 0-4oС تزداد كثافته مع التسخين.
أجسام متجانسة وغير متجانسة
تتوافق معادلة الكثافة المكتوبة أعلاه مع ما يسمى بالمتوسط ρ للجسم المدروس. إذا خصصنا بعض الحجم الصغير فيه ، فإن القيمة المحسوبة ρiيمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا عن القيمة السابقة. ترتبط هذه الحقيقة بوجود توزيع غير منتظم للكتلة على الحجم. في هذه الحالة ، الكثافةρiيسمى المحلي.
بالنظر إلى مسألة التوزيع غير المنتظم للمادة ، يبدو من المثير للاهتمام توضيح نقطة واحدة. عندما نبدأ في التفكير في حجم أولي قريب من المقاييس الذرية ، يتم انتهاك مفهوم الاستمرارية المتوسطة ، مما يعني أنه لا معنى لاستخدام خاصية الكثافة المحلية. من المعروف أن كتلة الذرة بأكملها تقريبًا تتركز في نواتها ، والتي يبلغ نصف قطرها حوالي 10-13متر. تقدر كثافة اللب برقم ضخم. هذا هو 2، 31017kg / m3.
قياس الكثافة
تبين أعلاه أنه وفقًا للصيغة ، فإن الكثافة تساوي نسبة الكتلة إلى الحجم. تتيح لنا هذه الحقيقة تحديد الخاصية المحددة ببساطة عن طريق وزن الجسم وقياس معلماته الهندسية.
إذا كان شكل الجسم معقدًا جدًا ، فإن الطريقة العامة لتحديد الكثافة ستكون الوزن الهيدروستاتيكي. يقوم على استخدام قوة أرخميدس. جوهر الطريقة بسيط. يتم وزن الجسم أولاً في الهواء ثم في الماء. يستخدم الفرق في الوزن لحساب الكثافة غير المعروفة. للقيام بذلك ، استخدم الصيغة التالية:
ρ=ρl P0/ (P0- P l ) ،
حيث P0 ، Pl- وزن الجسم في الهواء والسائل. وفقًا لذلك ، ρlهي كثافة السائل.
طريقة الوزن الهيدروستاتيكي لتحديد الكثافة ، وفقًا للأسطورة ، استخدمها لأول مرة فيلسوف من سيراكيوزأرخميدس. لقد كان قادرًا ، دون انتهاك السلامة الجسدية للتاج ، على تحديد أنه لم يتم استخدام الذهب فحسب ، بل أيضًا معادن أخرى أقل كثافة في صنعه.
