Масса и плотность вещества

В обиходе слово «масса» употребляется очень часто: на упаковках, в которых расфасованы продукты питания, указана их масса, уходя в школу, вы берете с собой портфель с учебниками и тетрадями, обладающий определенной массой.

Что же мы понимаем под массой тела?

В случаях, перечисленных выше, мы понимаем под массой физическую величину, показывающую, какое количество вещества содержится в данном теле.

Мы знаем, что любое тело состоит из атомов или молекул. Атомы и молекулы различных веществ отличатся друг от друга своими массами и расположением в теле. Очевидно, что чем больше в данном теле молекул или атомов и чем плотнее они упакованы, тем больше масса этого тела, так как в объеме тела содержится большее количество вещества.

Оказалось, что понятие массы гораздо многограннее, чем оно представлялось изначально! На современном этапе развития физики массой можно охарактеризовать разные свойства материи:

1. количество частиц в теле

2. способность тела сопротивляться попыткам изменить его скорость

3. способность тела притягиваться к другому телу

4. величину работы, которую может совершить тело.

Но численное значение величины массы во всех этих случаях остается одним и тем же. Значит, вне зависимости от того, кокае свойство материи отражает масса, при решении задач численное значение массы берется одно и тоже.

В курсе физики седьмого класса мы будем рассматривать массу как величину, характеризующую первые три перечисленных свойства материи.

Чтобы количественно измерять величину массы, Международным соглашением был принят эталон массы, названный килограммом. Этот эталон представляет собой цилиндр из сплава иридия и платины диаметром и высотой 39 мм, который хранится во Франции (рис.2.23).

Эталон этот был введен как величина, отражающая способность тела притягиваться к другому телу.

Рис.2.23

(фото эталона массы) (см.рис.68 из физика 7 кл Башаров стр.95)

Используя эталон массы 1 кг, изготавливают гири с различными массами, которые называют разновесами (рис.2.24).

Рис.2.24

(фото разновесов) (см.рис.69а стр.95 башаров 7 кл)

Разновесы имеют различные массы, например, 1 г = 10^-3кг, 1 мг = 10^-6кг. Для взвешивания тел с большими массами используют грузы массами 1 т = 10³кг.

Массу принято обозначать буквой m, а единицу ее измерения кг. Масса – это скалярная величина.

Массу тела определяют по-разному. Одним из способов является взвешивание тела на весах. Так определяют гравитационную массу. Весы бывают разные: пружинные, рычажные и электронные (рис.2.25).

Рис.2.25

(фото различных весов) см.рис.69б стр.95 башаров 7 кл и стр.49 перышкин, Родина 72г)

Рассмотрим процесс взвешивания тела на рычажных весах. На левую чашу весов помещают тело, массу которого необходимо определить, а на правую чашу помещают разновесы (набор гирек). Уравновешивание весов будет означать, что масса тела измерена, и она будет равна суммарной массе гирек на правой чаше весов.

Взвешивание тел с помощью весов самый древний из известных способов определения массы. Изображение весов можно найти даже на египетских пирамидах, возраст которых составляет более четырех тысяч лет (рис.2.26).

Рис.2.26 (древние весы)

Современные конструкции весов очень разнообразны. Школьные учебные весы позволяют взвешивать тела массами от 10 мг до 500 г. А вот вагоны и автомашины взвешивают на транспортных весах, рассчитанных на нагрузку до 200 т (рис.2.27).

Рис.2.27 (транспортные весы)

Тела массами меньше 10 мг взвешивают на аналитических весах.

Всем известно, что 1 кг железа занимает гораздо меньший объем, чем 1 кг хлопка. Это означает, что тела одинаковой массы, но изготовленные из разных веществ занимают разный объем. Как же это можно объяснить?

Опыт показывает, что в разных веществах атомы располагаются на разных (хотя и очень малых) расстояниях друг от друга и в разных веществах они по-разному упакованы.

Приведем классический пример: алмаз и графит – это вещества, состоящие из набора одинаковых атомов углерода. Атомы углерода расположены в них по-разному и на различных расстояниях друг от друга. В алмазе атомы углерода упакованы более компактно, или, говорят, более плотно (рис.2.28). Поэтому одинаковые массы алмаза и графита занимают в пространстве разные объемы (алмаз примерно в 1,6 раза меньший).

(кристаллические решетки алмаза и графита) (большая книга рис.3)

Рис.2.28

Следовательно, если атомы вещества расположены так, что в единице объема их много и сами атомы вещества обладают большей массой, то в пространстве тело, изготовленное из этого вещества, будет занимать меньший объем.

Возьмем два разных тела, изготовленных из одного и того же вещества (например, из железа) (рис.2.29) и определим их массы с помощью весов, а объемы с помощью мензурок с водой. Из рис.2.29 видно, что объем первого тела равен 2 мл, а объем второго – 4 мл. Взвешивание показало, что масса второго тела вдвое больше, чем первого.

Отношение масс этих тел к собственным объемам в обоих случаях оказалось одинаковым:

Рис.2.29

Следовательно, отношение масс веществ к собственному объему характеризует данное вещество, так как оно остается неизменным для любых произвольных масс и объемов этого вещества. Эту величину назвали плотностью вещества. Обозначают плотность вещества буквой r («ро»). Тогда

(2.1).

Плотность – это скалярная физическая величина, определяемая массой единичного объема данного вещества.

Единицей измерения плотности в Международной системе единиц: . На практике часто пользуются другой единицей плотности, удобной в лабораторных условиях: . Эти две единицы плотности связаны друг с другом следующим соотношением: .

Докажите это самостоятельно.

Массу тела легко найти, зная плотность вещества, из которого оно изготовлено, и объем тела:

(2.2).

С позиции микроструктуры строения вещества его плотность определяется и упаковкой и массами самих атомов. Например, среднее расстояние между атомами ртути» 0,3 нм, а в алюминии» 0,28 нм. В то же время плотность ртути примерно в 5 раз больше!! Почему? Все дело в том, что масса атома ртути в 5 раз больше массы атома алюминия.

Другой пример: масса атомов осмия меньше массы атомов висмута, но плотность его в 2,3 раза больше плотности висмута. Почему? Дело в том, что расстояние между атомами осмия гораздо меньше соответствующих расстояний в висмуте.

Следовательно, плотность вещества отражает его внутреннее строение.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какой смысл вкладывают в понятие «масса»?

2. Почему возникла необходимость в введении эталонов единиц измерения физических величин?

3. Что принято за эталон массы?

4. Где в Казахстане хранится копия эталона массы?

5. Как измерить массу тела?

6. Какие весы вы знаете?

7. Что такое разновесы?

8. На каких весах – рычажных или пружинных – можно измерить массу тела на Луне?

9. Объясните, почему свинцовый и деревянный шарики одинакового объема имеют разные массы?

10. Какая величина называется плотностью тела?

11. Можно ли определить массу тела, не имея весов? Что для этого необходимо знать?

12. Как определить массу тела, зная плотность его вещества?

13. Как определить массу свинцового шарика, имея в распоряжении мензурку и воду?

14. Напишите реферат или сделайте сообщение об истории появления различных эталонов мер