Лабораторная работа №5, страница 163 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

Лабораторная работа № 5. Измерение плотности вещества

Цель: научиться измерять плотность вещества.

Оборудование: весы, разновес, прямоугольный брусок, линейка, кусок пластилина, мензурка, колба с водой, 5–10 больших металлических гвоздей (рис. 259).

Проверь себя

1. Какие характеристики тела необходимо знать, чтобы определить плотность его вещества?

2. В каких единицах в СИ измеряют плотность?

Ход работы

1. Изучите правила пользования рычажными весами. Уравновесьте весы, добавляя на более легкую чашу кусочки бумаги. На левую чашу уравновешенных весов положите взвешиваемое тело. На чаши весов нельзя класть мокрые, грязные, горячие тела, насыпать без использования подкладки порошки, наливать жидкости.

Придерживая чаши весов рукой, осторожно поставьте на правую чашу гирю, масса которой, по вашему мнению, близка к массе тела. Если масса гири окажется больше массы тела, уберите гирю и поставьте другую, меньшей массы. Добейтесь равновесия весов, добавляя мелкие гирьки (гирьки от 500 до 10 мг доставайте из футляра пинцетом).

Подсчитайте общую массу всех гирек. Она равна массе взвешиваемого тела. После взвешивания разместите гирьки по своим гнездам в коробке.

2. Измерьте плотность вещества прямоугольного бруска.

2.1. С помощью линейки найдите объем прямоугольного бруска.

2.2. С помощью весов найдите его массу.

2.3. Вычислите плотность вещества бруска. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

2.4. Определите по таблице плотностей (см. с. 73), из какого вещества изготовлен брусок.

3. Измерьте плотность пластилина. С помощью весов и мензурки определите массу и объем куска пластилина. Вычислите плотность пластилина. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Путем прямых или косвенных измерений была определена плотность вещества? Поясните свой ответ.

2. Какая из плотностей (вещества бруска или пластилина) была определена с меньшей погрешностью? Ответ обоснуйте.

3. В каком состоянии вещества (твердом, жидком, газообразном) определять плотность труднее всего? Почему?

Выводы

Суперзадание

Измерьте плотность вещества гвоздей, используя только весы и мензурку с водой. Определите, какое это вещество.

Проверьте себя

1. Какие характеристики тела необходимо знать, чтобы определить плотность его вещества?

Чтобы определить плотность вещества, из которого состоит тело, необходимо знать две его характеристики: массу ($m$) и объем ($V$). Плотность ($\rho$) вычисляется как отношение массы тела к его объему.

Ответ: Масса и объем.

2. В каких единицах в СИ измеряют плотность?

В Международной системе единиц (СИ) масса измеряется в килограммах (кг), а объем — в кубических метрах (м³). Следовательно, плотность в СИ измеряется в килограммах на кубический метр ($\frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$).

Ответ: $\frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$ (килограмм на кубический метр).

Ход работы

(Ниже представлены примерные результаты измерений и вычислений, так как реальное выполнение работы невозможно.)

2. Измерьте плотность вещества прямоугольного бруска.

2.1. С помощью линейки измерим размеры бруска: длина $a = 5.0 \text{ см}$, ширина $b = 3.0 \text{ см}$, высота $c = 2.0 \text{ см}$. Объем бруска равен произведению его сторон:
$V = a \cdot b \cdot c = 5.0 \text{ см} \cdot 3.0 \text{ см} \cdot 2.0 \text{ см} = 30.0 \text{ см}^3$.

2.2. С помощью рычажных весов и разновесов измерим массу бруска. Допустим, она составила $m = 81.0 \text{ г}$.

2.3. Вычислим плотность вещества бруска:
$\rho = \frac{m}{V} = \frac{81.0 \text{ г}}{30.0 \text{ см}^3} = 2.7 \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$.
Переведем плотность в единицы СИ:
$\rho = 2.7 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} = 2.7 \cdot \frac{10^{-3} \text{ кг}}{10^{-6} \text{ м}^3} = 2700 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$.

2.4. Сравнив полученное значение плотности $2700 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$ с табличными данными, можно сделать вывод, что брусок изготовлен из алюминия (табличное значение плотности алюминия $\approx 2700 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$).

3. Измерьте плотность пластилина.

С помощью весов измерим массу куска пластилина. Допустим, она равна $m = 60.0 \text{ г}$.
Для измерения объема пластилина, тело неправильной формы, воспользуемся мензуркой (метод вытеснения жидкости). Нальем в мензурку воду, начальный объем воды $V_1 = 50 \text{ мл} = 50 \text{ см}^3$. Полностью погрузим пластилин в воду. Новый уровень воды в мензурке $V_2 = 90 \text{ мл} = 90 \text{ см}^3$.
Объем пластилина равен объему вытесненной им воды:
$V = V_2 - V_1 = 90 \text{ см}^3 - 50 \text{ см}^3 = 40 \text{ см}^3$.
Вычислим плотность пластилина:
$\rho = \frac{m}{V} = \frac{60.0 \text{ г}}{40 \text{ см}^3} = 1.5 \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$.
Переведем в СИ:
$\rho = 1.5 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} = 1500 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$.

Результаты измерений и вычислений:

Контрольные вопросы

1. Путем прямых или косвенных измерений была определена плотность вещества? Поясните свой ответ.

Плотность вещества была определена путем косвенных измерений. Прямое измерение — это непосредственное сравнение измеряемой величины с ее эталоном (например, измерение длины линейкой). В данной работе мы сначала измеряли массу и объем (для бруска — его линейные размеры, из которых вычисляли объем), а затем по математической формуле $\rho = \frac{m}{V}$ вычисляли плотность. Определение величины на основе прямых измерений других величин, связанных с искомой определенной зависимостью, называется косвенным измерением.

Ответ: Плотность была определена путем косвенных измерений, так как она вычислялась по формуле на основе прямых измерений массы и объема.

2. Какая из плотностей (вещества бруска или пластилина) была определена с меньшей погрешностью? Ответ обоснуйте.

Плотность вещества бруска, вероятно, была определена с меньшей погрешностью. Это связано с методами измерения объема. Объем бруска вычислялся на основе трех измерений линейкой, которая обычно имеет высокую точность (цена деления 1 мм). Погрешность измерения объема мензуркой, как правило, выше из-за большей цены деления (например, 1-2 мл) и сложностей точного определения уровня жидкости (влияние мениска, капли на стенках). Хотя при вычислении объема бруска погрешности трех измерений складываются, исходная точность линейки часто позволяет получить более точный результат, чем однократное измерение объема вытесненной жидкости в стандартной учебной мензурке.

Ответ: Плотность вещества бруска, так как погрешность измерения объема с помощью линейки, как правило, меньше, чем с помощью мензурки.

3. В каком состоянии вещества (твердом, жидком, газообразном) определять плотность труднее всего? Почему?

Труднее всего определять плотность вещества в газообразном состоянии. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, газы не имеют собственного объема и формы, они занимают весь предоставленный им объем. Поэтому для измерения объема газа необходимо использовать герметичный сосуд известного объема. Во-вторых, газы имеют очень малую массу по сравнению с твердыми телами и жидкостями того же объема. Для ее точного измерения требуются очень чувствительные весы. Например, масса 1 литра воздуха при нормальных условиях составляет всего около 1.29 г. В-третьих, плотность газа сильно зависит от внешних условий — температуры и давления, которые также необходимо точно измерять и контролировать в ходе эксперимента.

Ответ: В газообразном, потому что газы не имеют постоянного объема, обладают малой массой, а их плотность сильно зависит от температуры и давления.

Выводы

В ходе лабораторной работы я научился(ась) определять плотность вещества для тел правильной и неправильной формы. Для тела правильной формы (прямоугольный брусок) объем был вычислен по его линейным размерам, измеренным линейкой. Для тела неправильной формы (кусок пластилина) объем был измерен с помощью мензурки методом вытеснения жидкости. Масса тел измерялась на рычажных весах. По полученным значениям массы и объема была вычислена плотность. Сравнив вычисленную плотность с табличными значениями, можно идентифицировать вещество. Работа показала, что выбор метода измерения объема зависит от формы исследуемого тела.

Суперзадание

Измерьте плотность вещества гвоздей, используя только весы и мензурку с водой. Определите, какое это вещество.

Дано
(Примерные данные)
Масса гвоздей: $m = 39 \text{ г}$
Начальный объем воды в мензурке: $V_1 = 60 \text{ мл} = 60 \text{ см}^3$
Конечный объем воды с гвоздями: $V_2 = 65 \text{ мл} = 65 \text{ см}^3$

$m = 39 \text{ г} = 0.039 \text{ кг}$
$V_1 = 60 \text{ см}^3 = 60 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$
$V_2 = 65 \text{ см}^3 = 65 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти:
$\rho$ - ?
Вещество - ?

Решение
1. Определим массу гвоздей с помощью весов. По нашим данным, $m = 39 \text{ г}$.
2. Гвозди имеют неправильную форму, поэтому их объем определим с помощью мензурки. Объем гвоздей равен объему вытесненной ими воды:
$V = V_2 - V_1 = 65 \text{ см}^3 - 60 \text{ см}^3 = 5 \text{ см}^3$.
3. Рассчитаем плотность вещества, из которого сделаны гвозди, по формуле:
$\rho = \frac{m}{V} = \frac{39 \text{ г}}{5 \text{ см}^3} = 7.8 \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$.
4. Переведем полученное значение в систему СИ:
$\rho = 7.8 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} = 7800 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$.
5. Сравним результат с табличными значениями плотностей. Плотность железа (и стали, из которой обычно делают гвозди) составляет примерно $7800 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$. Следовательно, гвозди сделаны из стали или железа.

Ответ: Плотность вещества гвоздей равна $7800 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$. Это вещество — сталь (железо).