Как известно из курса физики 7 класса, одной из важнейших характеристик любого тела является его масса. Большие тела, как правило, тяжелы, мелкие — легки. Однако, если тела имеют одинаковые размеры, они вовсе не обязательно будут иметь одну и ту же массу. И это обязательно отразится на физических явлениях с этими телами. Как в физике учитывается различная масса одинаковых по размеру тел?
Мало того, в составе молекул и кристаллических решёток атомы могут находиться на разных расстояниях, и в одном и том же объёме будет помещаться их различное количество. Наконец, в газах молекулы находятся друг от друга на относительно больших расстояниях, это и объясняет лёгкость газов (и малую массу шарика от пинг-понга, на 99 % заполненного воздухом).
Возникает вопрос: как учесть эту разницу?
В физике для этого используется специальная величина — плотность, которая показывает, насколько сильно «упаковано» вещество в данном объёме.
В приведённом примере наивысшая плотность будет у свинцового шарика, наименьшая — у шарика для пинг-понга.
Формула плотности вещества
Плотность вещества равна отношению массы вещества к объёму, который эта масса занимает. Плотность обозначается греческой буквой $rho$ (ро).
То есть, если объём тела обозначить буквой $V$, а массу — $m$, то формула плотности вещества примет вид:
$$rho = {m over V}$$
Из данной формулы можно получить единицу плотности. Поскольку масса измеряется в килограммах, а объём — в кубических метрах, то единицей измерения плотности будет килограмм на кубический метр:
$$[rho] = {кг over м^3}$$
Физический смысл плотности — это масса одного кубического метра данного вещества.
Использование плотности в расчётах
Плотность вещества — это табличная величина, и она позволяет по известной массе вычислить объём тела, или наоборот, получить массу тела известного объёма.
Например, в приведённом примере с шариками из различных веществ не требуется изготавливать шарики, чтобы знать их массу. Достаточно измерить диаметр шарика (для настольного тенниса он составляет 0,04 м) и по геометрическим формулам вычислить его объём (он составит 0,0000335 куб. м). Умножая полученный объём на плотность вещества, взятую из таблицы, можно получить вес шарика, не изготавливая и не взвешивая его. Например, стеклянный шарик такого размера будет весить около 85 г, а золотой шарик — 647 г.
Плотность можно измерить не только для твёрдых, но и для жидких и газообразных тел. Например, плотность воздуха составляет 1,29 кг на кубический метр. А значит, воздух, находящийся в комнате средних размеров (например, $6 times 3.5 times 3$м) весит около 80 кг! Вполне заметная масса, хотя обычно кажется, что воздух ничего не весит. Масса и плотность воздуха впервые была определена Г. Галилеем путём взвешивания сосуда до и после откачивания из него воздуха.
Что мы узнали?
Плотность — это физическая величина, показывающая, насколько сильно «упаковано» вещество в данном объёме. Она равна отношению массы вещества к объёму, занимаемому этой массой, и измеряется в килограммах на кубический метр.
