Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Цель работы: изучить различные методы определения плотности твердых тел и приобрести умение определять плотность.

Принадлежности: технические весы, разновесы к ним, штангенциркуль, мензурка, отливной стакан, твердые тела различной геометрической формы.

Теория метода

Как сказано в предыдущей работе, масса тела m есть физическая величина, являющаяся мерой инертности тела в поступательном движении. Масса тела пропорциональна количеству вещества, содержащемуся в данном теле.

Тела, состоящие из одного и того же вещества, но имеющие разный объем, имеют различную массу, но отношение массы тела к объему этого тела для данного вещества будет постоянным. Физическая величина, равная отношению массы тела m к его объему V, называется плотностью тела или плотностью вещества, из которого изготовлено тело

. (1)

Иными словами, плотность численно равна массе, заключенной в единице объема данного однородного тела.

Определение плотности сводится к определению массы тела и его объема. Массу тела можно определить путем взвешивания (конечно, только в том случае, если взвешивание производится в пустоте или введена соответствующая поправка на кажущуюся потерю веса тела в воздухе), т.е. путем сравнения с массой разновесок различной величины. Объем тел правильной формы измеряют непосредственно. Если тело неправильной формы, то для нахождения его объема используют другие методы.

Определение плотности твердых тел различной формы

Определение массы тела будет производиться на технических весах (рис.1). Технические весы состоят из равноплечного рычага 1, называемым коромыслом. Опорой коромысла служит ребро стальной призмы 2, вставленное в середину коромысла перпендикулярно его плоскости. Ребро призмы опирается на пластину, укрепленную на верху колонки 3. Центр тяжести коромысла с чашками и стрелкой лежит ниже ребра призмы так, что коромысло находится в устойчивом состоянии.

На равном расстоянии от опорного ребра имеются призмы, на которых подвешены чашки весов 4. Для определения положения равновесия служит длинная стрелка 5, прикрепленная к коромыслу. Конец стрелки колеблется перед шкалой 6.

При горизонтальном положении коромысла стрелка должна стоять на середине шкалы. На все время, пока весы не находятся в работе, их необходимо арретировать (при этом их призмы освобождаются от давления и от напрасного изнашивания). Арретирование производится поворотом рукоятки 7. К весам прилагается набор гирь. При взвешивании необходимо соблюдать следующие правила:

1. Пока весы не арретированы, нельзя класть на чашки и снимать с них разновески.

2. Разновески следует ставить так, чтобы общий центр тяжести грузов приходился на середину чашки.

3. Разновески берут пинцетом.

4. Положив на одну чашку взвешиваемое тело, на другую чашку кладут какую-то гирю. Немного освобождают коромысло весов и смотрят, какая чашка перевешивает. Снова арретируют весы, добавляют или снимают разновески и опять немного освобождают коромысло весов. Полностью освобождают весы, когда стрелка начинает колебаться.

5. Когда взвешивание окончено, весы надо арретировать и, сняв разновесы, записать вес тела (разновески кладут только в коробку).

1

2

3

4

5

6

7

Рис.1

Рис.2

Объем тела правильной формы определяется с помощью штангенциркуля или микрометра. Определяются линейные размеры тела и по соответствующим формулам вычисляется объем. Объем тела неправильной формы определяется при помощи мензурки и отливного стакана. Объем куска пробки можно определить при помощи отливного стакана, привязав к нему груз с заранее известным объемом, тогда объем пробки будет равен объему вытесненной воды без объема груза. Измерение объема при помощи мензурки и отливного стакана производится следующим образом. Отливной стакан наполняется дистиллированной водой так, как показано на рис.2 (1- мензурка, 2-отливной стакан). Затем погружают в стакан исследуемое тело неправильной формы, которое вытесняет часть воды, равный объему исследуемого тела. При помощи мензурки определятся объем вытесненной жидкости . Измерения необходимо производить не менее трех раз.

Определение плотности твердого тела гидростатическим взвешиванием

Если тело ограничено сложной поверхностью и определение объема затруднено, то можно определить плотность тела методом гидростатического взвешивания, пользуясь законом Архимеда. По закону Архимеда на тело, погруженное в жидкость, действует сила, направленная вертикально вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Поэтому, если взвесить тело в воде и по закону Архимеда определить массу вытесненной воды, зная плотность воды _ж, легко определить объем тела. А массу тела находят взвешиванием его в воздухе.

Выполнение работы

Взвешивают исследуемое тело в воздухе, положив его на чашку весов. Потом подвешивают его на тонкой проволоке надлежащей длины на крючок левой чашки весов. Весы опять уравновешивают гирями. Обозначим массу исследуемого тела через m, а через m₁ - его массу с проволокой.

Затем над чашкой весов устанавливают столик, на который ставят стакан с водой. При арретированных весах исследуемое тело погружают в стакан. При этом наблюдают, чтобы тело не касалось стенок и дна стакана; во-вторых, чтобы через поверхность воды проходила только не перекрученная часть проволоки (для уменьшения капиллярного действия), и, наконец, чтобы на поверхности тела не было прилипших пузырьков воздуха. Снимают часть гирек с другой чашки весов и приводят весы в равновесие. Пусть кажущаяся масса тела с проволокой при погружении в воду будет m₂. Таким образом, масса вытесненной телом воды будет равна

.

Тогда плотность тела будет равна

.

Задание 1. Определить плотность тела правильной геометрической формы. Результаты измерения и вычислений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Исследуемое тело: цилиндр

№п/п

H, см

D, см

V, см³

m, г

, г/см³

, г/см³

1

2

3

H_ср, см

D_ср, см

V_ср, см³

m_ср, г

_ср, г/см³

_ср, г/см³

Исследуемое тело: параллепипед

№п/п

H, см

а, см

b, см

V, см³

m, г

, г/см³

, г/см³

1

2

3

H_ср, см

а_ср, см

b_ср, см

V_ср, см³

m_ср, г

_ср, г/см³

_ср, г/см³

Задание 2. Определить плотность тел неправильной формы. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Исследуемое тело

№п/п

m, г

V, см³

, г/см³

, г/см³

/_ср

1.

1

2

3

m_ср, г

V_ср, см³

_ср, г/см³

_ср, г/см³

_ср/_ср

2.

1

2

3

Задание 3. Определить плотность тел гидростатическим взвешиванием. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.

Таблица 3

Исследуемое тело

№п/п

m, г

m₁, г

m₂, г

m, г

, г/см³

, г/см³

1.

1

2

3

m_ср, г

m_ср, г

m_ср, г

m_ср, г

_ср, г/см³

_ср, г/см³

_ср/_ср

2.

1

2

3

Контрольные вопросы

1. Что называется плотностью тела?

2. Что называется массой тела?

3. В каких единицах измеряется плотность?

4. Какие методы измерения плотности используются в данной работе?

5. Каковы особенности определения плотности тел неправильной геометрической формы в случае, когда плотность тела меньше плотности воды?