За да определите плътността на течности и твърди вещества, трябва да знаете тяхната маса и обем. Ако няма проблеми с измерването на масата, тогава точната стойност на обема на тялото може да се намери, ако има известна правилна геометрична форма, например формата на призма или пирамида. Ако тялото има произволна форма, е невъзможно точно да се определи неговият обем със стандартни геометрични средства. Въпреки това, стойността на плътността на течност или твърдо вещество може да бъде измерена с висока точност с помощта на хидростатичен баланс.
Историческа справка
Човечеството се интересува от въпроса за измерване на обема и плътността на телата от древни времена. Според оцелелите исторически свидетелства, отбелязаният проблем е разрешен за първи път успешно от Архимед, когато се справя със задачата, дадена му да определи дали златната корона е фалшива.
Архимедживял през III век пр.н.е. След откриването му, на човечеството са били необходими почти 2000 години, за да създаде изобретение, което използва физическия принцип, формулиран от гърците в своята работа. Това е хидростатичен баланс. Изобретен от Галилей през 1586 г. Тези везни отдавна са основният начин за точно измерване на плътността на различни течности и твърди вещества. Снимка на хидростатичния баланс на Галилео е показана по-долу.
Впоследствие се появява тяхната разновидност - скали на Мор-Вестфал. При тях вместо два еднакви лоста е използван само един, на който е окачен измерваният товар и по който се плъзгат товари с известна маса, за да се постигне баланс. Скалите на Мор-Вестфал са показани по-долу.
Понастоящем хидростатичните везни рядко се срещат в научните лаборатории. Те са заменени от по-точни и лесни за използване инструменти като пикнометър или електронни везни.
Компоненти на везните на Галилей
Този уред има две рамена с еднаква дължина, които могат свободно да се въртят около централна хоризонтална ос. От края на всеки лост е окачена чаша. Проектиран е да държи тежести с известна маса. На дъното на чашите има кука. Можете да окачите различни товари от него.
В допълнение към тежестите, хидростатичният баланс включва два метални цилиндъра. Имат еднакъв обем, само единият е изцяло от метал, а вторият е кух. Включен е и стъклен цилиндър.който е пълен с течност по време на измерванията.
Въпросният инструмент се използва за демонстриране на закона на Архимед и за определяне на плътността на течности и твърди тела.
Демонстрация на закона на Архимед
Архимед установи, че тяло, потопено в течност, го измества и теглото на изместената течност е точно равно на издигащата сила, действаща нагоре върху тялото. Ще покажем как с помощта на хидростатичен баланс този закон може да бъде проверен.
На лявата купа на устройството първо ще окачим кух метален цилиндър, а след това цял. Поставяме тежести от дясната страна на везната, за да балансираме устройството. Сега нека напълним стъкления цилиндър с вода и да поставим цялото метално тегло на лявата купа в него, така че да е напълно потопен. Може да се види, че теглото на дясната купа ще бъде по-голямо и балансът на устройството ще бъде нарушен.
След това изтегляме вода в кухия горен цилиндър. Да гледаме как везните отново възстановяват баланса си. Тъй като обемите на металните цилиндри са равни, се оказва, че теглото на водата, изместена от пълен цилиндър, ще бъде равно на силата, която я изтласква от течността.
Снимката по-долу илюстрира описаното преживяване.
Измерване на плътността на твърдите вещества
Това е една от основните задачи на хидростатичните везни. Експериментът се провежда под формата на следните стъпки:
- Измерва се теглото на тялото, чиято плътност трябва да се намери. За целта се окачва на куката на една от купите, а на втората купа се поставят тежести с подходяща маса. Да обозначим какво открихменачин стойността на теглото на символа на товара m1.
- Измереното тяло е напълно потопено в стъклен цилиндър, пълен с дестилирана вода. В това положение тялото се претегля отново. Да предположим, че измерената маса е m2.
- Изчислете стойността на плътността ρs на твърдо вещество, като използвате следната формула:
ρs=ρlm1/(m 1- m2)
Тук ρl=1 g/cm3 е плътността на дестилираната вода.
По този начин, за да се определи плътността на твърдо тяло, е необходимо да се измери теглото му във въздух и в течност, чиято плътност е известна.
Определяне на плътността на течностите
Принципът на Архимед, който е в основата на работата на хидростатичните везни, ви позволява да измервате плътността на всяка течност с помощта на въпросното устройство. Нека опишем как се прави:
- Поема се произволен товар. Това може да бъде метален плътен цилиндър или друго тяло с произволна форма. След това товарът се потапя в течност с известна плътност ρl1 и теглото на товара се измерва m1..
- Същият товар е напълно потопен в течност с неизвестна плътност ρl2. Запишете стойността на неговата маса в този случай (m2).
- Измерените стойности се заместват във формулата и определят плътността на течността ρl2:
ρl2=ρl1m2/m 1
Bдестилираната вода често се използва като течност с известна плътност (ρl1=1 g/cm3).
По този начин хидростатичният баланс на Галилео е доста лесен за използване за определяне на плътността на веществата и материалите. Точността на техните резултати е в рамките на 1%.
