Способы изучения и сравнения плотности твердых тел и жидкостей

Способы изучения и сравнения плотности твердых тел и жидкостей

 Уже семиклассникам известно, что для определения плотности твердого тела или жидкости достаточно найти отношение массы тела к его объему. Измерить массу тела на рычажных весах, а объем с помощью мерного стакана или мензурки, а в случае геометрически правильной формы тела – с помощью линейки, – уже посильно и современному шестикласснику. Поэтому на первый взгляд может показаться, что тема плотности тел раскрыта безо всяких «но» уже в первые месяцы освоения школьной физики. Но это лишь на первый взгляд. Пытливый семиклассник, изучая выталкивающую силу, найдет увлекательное продолжение этой темы, вторя Архимеду: «Эврика!».

И действительно, соотношение плотностей твердого тела и жидкости определяет, например, условие плавания твердого тела в жидкости, а численные значения их плотности – во-первых, величину выталкивающей силы со стороны жидкости, во-вторых, вес тела, находящегося внутри жидкости. Эта взаимосвязь открывает возможность измерения плотности твердого тела или жидкости так называемым методом гидростатического взвешивания твердого тела, погруженного в жидкость, с помощью точного динамометра или датчика силы. Метод основан на действии закона Архимеда: тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость, что и регистрирует динамометр в виде весовой разницы, по которой можно определить и объем тела, и величину выталкивающей силы, и, в купе с весом тела в воздухе, в итоге вычислить плотность либо тела, либо жидкости.

Определение плотности тела методом гидростатического взвешивания всегда по умолчанию предполагает условие «изучаемое тело тонет в жидкости». Однако данный метод можно адаптировать и для определения плотности  нетонущего в жидкости тела, если в эксперименте снабдить тело грузилом, способным полностью погрузить тело в жидкость. И в данном случае выталкивающая сила, действующую на изучаемое тело, найдется уже как разность выталкивающей силы, действующей на полностью погруженную связку тело-грузило, и выталкивающей силы, действующей отдельно на грузило, а эти силы можно найти раздельно уже привычным методом гидростатического взвешивания.

Метод определения плотности гидростатическим взвешиванием, безусловно, заслуживает свое место в школьном лабораторном практикуме, и уж если не в рамках базового уровня, то в программе профильного или углубленного изучения физики наверняка. А если  лабораторный практикум по профильной физике десятиклассников с четырехчасовым форматом лабораторной работы – тогда не только упомянутый метод, – метод(ы) измерения плотности твердых тел и жидкостей и их сравнение – вот достойная и пропорциональная тема лабораторной работы по плотности, в которую заданиями юным физикам можно вписать не только упомянутые методы определения плотности, но и несколько других оригинальных и неожиданно простых. Например, измерить плотность неизвестной жидкости с помощью двух одинаковых мерных стаканчиков равноплечими весами без разновесов или вообще без весов – на поверхности воды. В частности, для определения плотности неизвестной жидкости этими методами понадобятся два одинаковых мерных стаканчика и вода с её известной плотностью. В первом случае равновесие на равноплечих весах стаканчиков с водой и неизвестной жидкостью будет означать равенство сил тяжести воды и неизвестной жидкости (стаканчики можно рассматривать как продолжение чаш весов), отношение плотностей которых найдется как обратное отношение их объемов. А если в распоряжении только два одинаковых мерных стаканчика или даже один? В этом случае роль равноплечих весов может выполнить поверхность воды или любой другой жидкости, удерживающей наплаву сначала мерный стаканчик с водой, а затем с неизвестной жидкостью. При этом условием равновесия «архимедовых» весов будет одинаковая глубина погружения стаканчиков в жидкость как условие равенства выталкивающих сил и сил тяжестей одинаковых стаканчиков с жидкостями различной плотности. Тогда, как и в случае с равноплечими весами, отношение плотностей воды и неизвестной жидкости найдется как обратное отношение их объемов.

В качестве задания практического сравнения методов измерения плотности в лабораторную была включена задача по определению процентного содержания металлов в свинцово-оловянном припое (с предусмотрительно выплавленной оттуда канифолью).

Выборочно, с оглядкой на время выполнения работы, в некоторые задания включена оценка погрешностей прямых и косвенных измерений. А пожелать успеха в выполнении работы хватит и секунды.

Замечательная формула плотности вещества, дебютирующая для любого семиклассника первой формулой по физике, и впервые персонализирующая для него математические методы в физике, открывает каждому учащемуся завораживающее числовое измерение науки о природе – физики. Вышедшая из, на первый взгляд гуманитарной и созерцательной, начатой еще на уроках по окружающему миру темы первоначальных сведений о строении вещества, физическая величина плотность всегда служила твердой первой ступенью освоения школьной физики общеобразовательного уровня, а лабораторная работа «Изучение и сравнение методов измерения плотности твердых тел и жидкостей» ляжет достойным пазлом в физическое профильное образование старших школьников.