ВВЕДЕНИЕ
Красивое явление – айсберг, плавающий в океане. Однако знаете ли вы, что нашему взору предстает лишь 1/10 часть всего айсберга, а 9/10 скрыто водой? Но если же в воде будет плавать бревно, то оно будет погружено примерно до половины – взгляните на рисунок. Почему же вода скрывает от нас только половину бревна, а айсберг – почти целиком?
ГЛАВА 1. Плотность вещества
Для знакомства с новой для вас физической величиной, плотностью вещества, отправимся в литейный цех завода с весами и линейкой. Выберем несколько разных по размерам чугунных и алюминиевых слитков прямоугольной формы. Используя весы, измерим массу каждого слитка, используя линейку и формулу V=lbh, измерим объёмы. Результаты измерений занесём в таблицу
| Чугунные слитки | Алюминиевые слитки | |||||||
| Масса, кг | 8,5 | 6,2 | 9,7 | 4,5 | ||||
| Объём, дм3 | 1,3 | 6,5 | 2,6 | 3,9 | 2,3 | 6,5 | 3,6 | 1,8 |
| Поделив массы на объёмы, получим: | ||||||||
| Их частное |
Заметим, что при делении массы каждого слитка на его объём получаются одинаковые значения частного для всех чугунных слитков (7 кг/дм3) и для всех алюминиевых (3 кг/дм3). Другими словами, независимо от конкретных значений массы и объёма их частное остается постоянной величиной для данного вещества.
Эта удивительная закономерность и послужила причиной для введения в физику новой величины – плотности вещества. Единицей плотности служит 1 кг/м3 (читается: один килограмм на кубический метр).
Итак, физическая величина, равная отношению массы вещества к его объёму, называется плотностью вещества. Это – определение плотности. Его можно записать и в виде формулы:
m – масса, кг.
V – объём, м3
Из математики вы знаете, что значение всякой дроби показывает количество единиц величины, стоящей в числителе, приходящееся на одну единицу величины, стоящей в знаменателе.
Плотность вещества – тоже значение дроби. Поэтому числовое значение плотности вещества показывает массу единицы объёма этого вещества. В этом – физический смысл числового значения плотности.
Например, плотность чугуна равна 7 кг/дм3. Это значит, что 1 дм3 чугуна будет иметь массу 7 кг. Соответственно, 1 м3 чугуна будет иметь массу в 1000 раз больше – 7000 кг. Плотность пресной воды – 1 кг/л. Значит, масса 1 л воды 1 кг, а 1 м3 – 1000 кг, то есть 1 т.
Вспомним, что формулы можно преобразовывать по правилам математики. Поэтому формула плотности может быть записана в двух других формах:
При пользовании формулами необходимо следить, чтобы все величины были выражены в согласующихся друг с другом единицах, предпочтительно, килограммах и кубических метрах.
Средняя плотность и плавание тел
До сих пор мы рассматривали только такие тела, которые состоят из одного вещества. Теперь рассмотрим опыт, в котором есть тело, состоящее из нескольких веществ. Нам понадобятся сосуды со спиртом, водой и раствором соли; возьмём также куриное яйцо и кубик льда. Опустим их сначала в спирт. И лёд, и яйцо утонут. Переложим тела в воду. Яйцо утонет, а лёд будет плавать. В растворе соли оба тела будут плавать (рис. 1).
Рис. 1
Объяснения результатов опыта воспользуемся числовой прямой. Взгляните: на ней отмечены плотности всех веществ и тел, использованных в опыте. Мы видим, что плотность льда больше плотности спирта, и в нем лёд тонет. Однако плотность льда меньше плотности воды и раствора соли. И в них лёд плавает.
На прямой мы отложили и «плотность яйца» – около 1050 кг/м3. Это – средняя плотность яйца, поскольку оно состоит из нескольких веществ (белка, желтка и скорлупы). Средняя плотность яйца больше плотности воды, но меньше плотности раствора соли. Поэтому в воде яйцо тонет, а в растворе соли – нет.
Обобщая результаты опыта, сделаем вывод: если средняя плотность тела больше плотности жидкости, то это тело в ней тонет; если же средняя плотность тела меньше плотности жидкости, то это тело в ней всплывает (рис. 2).
Рис. 2
Красивое явление – айсберг, плавающий в океане. Однако знаете ли вы, что нашему взору предстает лишь 1/10 часть всего айсберга, а 9/10 скрыто водой? Но если же в воде будет плавать бревно, то оно будет погружено примерно до половины – взгляните на рисунок 3. Почему же вода скрывает от нас только половину бревна, а айсберг – почти целиком?
Рис. 3
Вспомним, что плотность льда составляет 900 кг/м3, а плотность древесины – около 500 кг/м3 в зависимости от её породы и влажности. Представим эти числа графически – в виде так называемой столбчатой диаграммы (рис. 4).
Рис. 4
Длина столбика «древесина» составляет половину (то есть 1/2 часть) от длины столбика «вода». Аналогично, длина столбика «лёд» составляет 9/10 от длины столбика «вода». Другими словами, средняя плотность древесины составляет 1/2 от плотности воды, а льда – 9/10 от той же плотности.
Из этих рассуждений можно сформулировать обобщение: внутри жидкости находится такая доля плавающего тела, какую составляет его средняя плотность от плотности окружающей тело жидкости. Эта закономерность широко применяется в технике, например, для прямого измерения плотности жидкости ареометром. Рисунок этого прибора вы видите на первой странице, открывающей эту тему. Ареометр – это стеклянный поплавок со шкалой вверху и свинцовой дробью внизу. От объёма корпуса и массы дроби зависит средняя плотность ареометра. В зависимости от плотности окружающей жидкости меняется погруженная доля ареометра и его шкалы. По уровню жидкости на шкале мы и определяем её плотность.