لتحديد كثافة السوائل والمواد الصلبة ، عليك معرفة كتلتها وحجمها. إذا لم تكن هناك مشاكل في قياس الكتلة ، فيمكن معرفة القيمة الدقيقة لحجم الجسم إذا كان له شكل هندسي منتظم معروف ، على سبيل المثال ، شكل المنشور أو الهرم. إذا كان للجسم شكل تعسفي ، فمن المستحيل تحديد حجمه بدقة من خلال الوسائل الهندسية القياسية. ومع ذلك ، يمكن قياس قيمة كثافة سائل أو صلب بدقة عالية باستخدام ميزان هيدروستاتيكي.
الخلفية التاريخية
اهتمت البشرية بمسألة قياس حجم وكثافة الأجسام منذ العصور القديمة. وفقًا للأدلة التاريخية الباقية ، تم حل المشكلة المذكورة بنجاح لأول مرة بواسطة أرخميدس عندما تعامل مع المهمة الموكلة إليه لتحديد ما إذا كان التاج الذهبي مزيفًا.
أرخميدسعاش في القرن الثالث قبل الميلاد. بعد اكتشافه ، استغرقت البشرية ما يقرب من 2000 عام لإنشاء اختراع يستخدم المبدأ الفيزيائي الذي صاغه اليونانيون في عمله. هذا توازن هيدروستاتيكي. اخترعها جاليليو عام 1586. لطالما كانت هذه الموازين هي الطريقة الرئيسية لقياس كثافة السوائل والمواد الصلبة المختلفة بدقة. صورة لتوازن جاليليو الهيدروستاتيكي موضحة أدناه.
بعد ذلك ، ظهر تنوعهم - موازين موهر ويستفال. فيها ، بدلاً من رافعتين متطابقتين ، تم استخدام رافعة واحدة فقط ، حيث تم تعليق الحمل المقاس ، وعلى طول أحمال كتلة معروفة تنزلق للحصول على التوازن. مقاييس Mohr-Westphal موضحة أدناه.
في الوقت الحاضر ، نادراً ما تُرى الموازين الهيدروستاتيكية في المختبرات العلمية. تم استبدالها بأدوات أكثر دقة وسهلة الاستخدام مثل مقياس الضغط أو المقاييس الإلكترونية.
مكونات موازين جاليليو
يحتوي هذا الجهاز على ذراعين لهما نفس الطول يمكنهما الدوران بحرية حول محور أفقي مركزي. كوب معلق من نهاية كل رافعة. إنه مصمم لحمل أوزان ذات كتلة معروفة. يوجد خطاف أسفل الكؤوس. يمكنك تعليق الأحمال المختلفة منه.
بالإضافة إلى الأوزان ، يشتمل الميزان الهيدروستاتيكي على أسطوانتين معدنتين. لديهم نفس الحجم ، واحد منهم فقط مصنوع بالكامل من المعدن ، والثاني مجوف. كما تضمنت اسطوانة زجاجية.والتي تمتلئ بالسائل أثناء القياسات.
يتم استخدام الأداة المعنية لتوضيح قانون أرخميدس ولتحديد كثافة السوائل والمواد الصلبة.
استعراض لقانون أرخميدس
أثبت أرخميدس أن جسمًا مغمورًا في سائل يحل محله ، ووزن السائل المزاح يساوي تمامًا قوة الطفو المؤثرة لأعلى على الجسم. سنوضح كيف يمكن ، باستخدام الميزان الهيدروستاتيكي ، التحقق من هذا القانون.
على الوعاء الأيسر للجهاز ، سنقوم أولاً بتعليق أسطوانة معدنية مجوفة ، ثم أسطوانة ممتلئة. نضع أوزانًا على الجانب الأيمن من الميزان لموازنة الجهاز. الآن دعونا نملأ الأسطوانة الزجاجية بالماء ونضع الوزن المعدني الكامل للوعاء الأيسر بداخلها حتى يتم غمرها بالكامل. يُلاحظ أن وزن الوعاء الأيمن سيكون أكبر ، وسيتم إزعاج توازن الجهاز.
ثم نقوم بسحب الماء في الاسطوانة العلوية المجوفة. دعونا نشاهد كيف تعيد المقاييس توازنها مرة أخرى. نظرًا لأن أحجام الأسطوانات المعدنية متساوية ، فقد اتضح أن وزن الماء المزاح بواسطة أسطوانة كاملة سيكون مساويًا للقوة التي تدفعها خارج السائل.
الصورة أدناه توضح التجربة الموصوفة
قياس كثافة المواد الصلبة
هذه إحدى المهام الرئيسية لموازين الوزن الهيدروستاتيكي. تجرى التجربة على شكل الخطوات التالية:
- يتم قياس وزن الجسم وتحديد كثافته. للقيام بذلك ، يتم تعليقه من خطاف أحد الأوعية ، ويتم وضع أوزان الكتلة المناسبة على الوعاء الثاني. دعنا نشير إلى ما وجدناهطريقة قيمة وزن الحمل الرمز م1.
- الجسم المقاس مغمور بالكامل في اسطوانة زجاجية مملوءة بالماء المقطر. في هذا الوضع ، يتم وزن الجسم مرة أخرى. افترض أن الكتلة المقاسة كانت م2.
- احسب قيمة الكثافة ρsمن مادة صلبة باستخدام الصيغة التالية:
ρs=ρl م1/ (م1- م2)
هنا ρl=1 g / cm3هي كثافة الماء المقطر.
لذلك لتحديد كثافة الجسم الصلب ، من الضروري قياس وزنه في الهواء وفي سائل معروف كثافته.
تحديد كثافة السوائل
مبدأ أرخميدس ، وهو أساس تشغيل الموازين الهيدروستاتيكية ، يسمح لك بقياس كثافة أي سائل باستخدام الجهاز المعني. دعنا نصف كيف يتم ذلك:
- يتم أخذ حمولة تعسفية. يمكن أن تكون أسطوانة معدنية صلبة أو أي جسم آخر ذي شكل تعسفي. بعد ذلك ، يتم غمر الحمولة في سائل بكثافة معروفة ρl1ويتم قياس وزن الحمولة م1.
- نفس الحمولة مغمورة تمامًا في سائل بكثافة غير معروفة ρl2. اكتب قيمة كتلته في هذه الحالة (م2).
- يتم استبدال القيم المقاسة في الصيغة وتحديد كثافة السائل ρl2:
ρl2=ρl1 م2/ م1
بغالبًا ما يستخدم الماء المقطر كسوائل ذات كثافة معروفة (ρl1=1 g / cm3).
وبالتالي ، فإن توازن جاليليو الهيدروستاتيكي سهل الاستخدام لتحديد كثافة المواد والمواد. دقة نتائجهم في حدود 1٪
