Pärast seda, kui õpilased on tutvunud füüsikas ainete massi ja ruumala mõistega, uurivad nad mis tahes keha olulist omadust, mida nimetatakse tiheduseks. Allolev artikkel on pühendatud sellele väärtusele. Tiheduse füüsikalise tähenduse küsimused paljastatakse allpool. Samuti on antud tiheduse valem. Kirjeldatud on selle eksperimentaalse mõõtmise meetodeid.
Tiheduse mõiste
Alustame artiklit ainetiheduse valemi otsese salvestamisega. See näeb välja selline:
ρ=m / V.
Siin m on vaadeldava keha mass. Seda väljendatakse SI-süsteemis kilogrammides. Ülesannetes ja praktikas võib leida ka teisi selle mõõtühikuid, näiteks gramme või tonne.
Sümbol V valemis tähistab ruumala, mis iseloomustab keha geomeetrilisi parameetreid. Seda mõõdetakse SI-des kuupmeetrites, kuid kasutatakse ka kuupkilomeetreid, liitreid, milliliitrit jne.
Tiheduse valem näitab, millist massi ainet ühik sisaldabmaht. Kasutades ρ väärtust, saab hinnata, kummal kahest kehast on võrdsete ruumalade korral suurem kaal või kummal kahest kehast on suurem ruumala võrdse massiga. Näiteks puit on vähem tihe kui raud. Seetõttu ületab nende ainete võrdsete koguste korral raua mass oluliselt puu sama väärtust.
Suhtelise tiheduse mõiste
Selle suuruse nimetus näitab, et ühe keha uuritavat väärtust käsitletakse teise keha sarnase tunnuse suhtes. Suhtelise tiheduse valem ρr näeb välja selline:
ρr=ρs / ρ0.
Kus ρs on mõõdetud materjali tihedus, ρ0 on tihedus, mille suhtes väärtus ρ r mõõdetakse . Ilmselgelt on ρr mõõtmeteta. See näitab, mitu korda on mõõdetud aine tihedam kui valitud standard.
Vedelike ja tahkete ainete puhul, standardina ρ0 valige see väärtus destilleeritud vee jaoks temperatuuril 4 oC. Sellel temperatuuril on vee maksimaalne tihedus, mis on arvutuste jaoks mugav väärtus - 1000 kg/m3 või 1 kg/l.
Gaasisüsteemide puhul on tavaks kasutada õhutihedust atmosfäärirõhul ja temperatuuril 0 standardina oC.
Tiheduse sõltuvus rõhust ja temperatuurist
Uuritud väärtus ei ole konkreetse keha puhul konstantne,kui muudate selle temperatuuri või välisrõhku. Vedelikud ja tahked ained on aga paljudes olukordades kokkusurumatud, mis tähendab, et nende tihedus jääb konstantseks nii rõhu kui ka temperatuuri muutumisel.
Rõhu mõju avaldub järgmiselt: selle suurenemisel vähenevad keskmised aatomite ja molekulidevahelised kaugused, mistõttu suureneb aine moolide arv ruumalaühikus. Nii et tihedus suureneb. Rõhu selget mõju uuritavale karakteristikule täheldatakse gaaside puhul.
Temperatuuril on rõhule vastupidine mõju. Temperatuuri tõusuga suureneb aineosakeste kineetiline energia, nad hakkavad aktiivsem alt liikuma, mis toob kaasa nendevahelise keskmise kauguse suurenemise. Viimane asjaolu viib tiheduse vähenemiseni.
Jällegi on see mõju gaaside puhul tugevam kui vedelike ja tahkete ainete puhul. Sellest reeglist on erand - see on vesi. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et temperatuurivahemikus 0-4 oС selle tihedus suureneb kuumutamisel.
Homogeensed ja ebahomogeensed kehad
Eelpool kirjutatud tiheduse valem vastab vaadeldava keha nn keskmisele ρ-le. Kui eraldame sellele väikese mahu, võib arvutatud väärtus ρi eelmisest väärtusest oluliselt erineda. See asjaolu on seotud massi ebaühtlase ruumalajaotusega. Sel juhul tihedusρi nimetatakse kohalikuks.
Arvestades aine ebaühtlase jaotumise küsimust, tundub huvitav selgitada ühte punkti. Kui hakkame arvestama aatomiskaaladele lähedase elementaarmahuga, rikutakse keskmise järjepidevuse kontseptsiooni, mis tähendab, et pole mõtet kasutada lokaalset tiheduskarakteristikut. On teada, et peaaegu kogu aatomi mass on koondunud selle tuuma, mille raadius on umbes 10-13 meetrit. Südamiku tihedust hinnatakse tohutu arvuga. See on 2, 31017 kg/m3.
Tiheduse mõõtmine
Eelpool näidati, et valemi kohaselt on tihedus võrdne massi ja ruumala suhtega. See asjaolu võimaldab meil määrata kindlaks määratud karakteristiku, lihts alt keha kaaludes ja selle geomeetrilisi parameetreid mõõtes.
Kui keha kuju on väga keeruline, on tiheduse määramise universaalne meetod hüdrostaatiline kaalumine. See põhineb Archimedese jõu kasutamisel. Meetodi olemus on lihtne. Keha kaalutakse esm alt õhus ja seejärel vees. Kaalu erinevust kasutatakse tundmatu tiheduse arvutamiseks. Selleks kasutage järgmist valemit:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
kus P0, Pl - kehamass õhus ja vedelikus. Vastav alt sellele on ρl vedeliku tihedus.
Hüdrostaatilise kaalumise meetodit tiheduse määramiseks kasutas legendi kohaselt esmakordselt filosoof SyracusastArchimedes. Ta suutis krooni füüsilist terviklikkust rikkumata kindlaks teha, et selle valmistamiseks ei kasutatud mitte ainult kulda, vaid ka muid vähemtihedaid metalle.
