Để xác định khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn, bạn cần biết khối lượng và thể tích của chúng. Nếu không có vấn đề gì với việc đo khối lượng, thì giá trị chính xác của thể tích vật đó có thể được tìm thấy nếu nó có dạng hình học thông thường đã biết, chẳng hạn như hình lăng trụ hoặc hình chóp. Nếu vật thể có hình dạng tùy ý thì không thể xác định chính xác thể tích của nó bằng các phương tiện hình học tiêu chuẩn. Tuy nhiên, giá trị khối lượng riêng của chất lỏng hoặc chất rắn có thể được đo với độ chính xác cao bằng cách sử dụng cân thủy tĩnh.
Bối cảnh lịch sử
Nhân loại đã quan tâm đến vấn đề đo thể tích và mật độ của các cơ thể từ thời cổ đại. Theo những bằng chứng lịch sử còn sót lại, vấn đề được lưu ý lần đầu tiên được Archimedes giải quyết thành công khi ông đối phó với nhiệm vụ được giao để xác định xem chiếc vương miện vàng có phải là giả hay không.
Archimedessống vào thế kỷ III trước Công nguyên. Sau khi được phát hiện, nhân loại đã mất gần 2000 năm để tạo ra một phát minh sử dụng nguyên tắc vật lý do người Hy Lạp xây dựng trong công việc của mình. Đây là sự cân bằng thủy tĩnh. Được phát minh bởi Galileo vào năm 1586. Những chiếc cân này từ lâu đã trở thành cách chính để đo chính xác khối lượng riêng của các chất lỏng và chất rắn khác nhau. Hình ảnh cân bằng thủy tĩnh của Galileo được hiển thị bên dưới.
Sau đó, sự đa dạng của chúng xuất hiện - vảy Mohr-Westphal. Trong chúng, thay vì hai đòn bẩy giống hệt nhau, chỉ một đòn bẩy được sử dụng, trên đó tải trọng đo được treo và cùng với tải trọng có khối lượng đã biết trượt để có được sự cân bằng. Các thang đo Mohr-Westphal được hiển thị bên dưới.
Hiện nay, trong các phòng thí nghiệm khoa học hiếm khi thấy cân thuỷ tĩnh. Chúng đã được thay thế bằng các dụng cụ chính xác và dễ sử dụng hơn như máy đo tốc độ hoặc cân điện tử.
Các thành phần trong thang đo của Galileo
Thiết bị này có hai cánh tay cùng chiều dài có thể xoay tự do quanh trục nằm ngang ở giữa. Một cái cốc được treo ở cuối mỗi đòn bẩy. Nó được thiết kế để giữ vật nặng có khối lượng đã biết. Có một cái móc ở dưới cùng của cốc. Bạn có thể treo các tải khác nhau từ nó.
Ngoài các quả cân, cân thủy tĩnh bao gồm hai hình trụ kim loại. Chúng có cùng thể tích, chỉ một trong số chúng được làm hoàn toàn bằng kim loại, và cái thứ hai là rỗng. Ngoài ra còn có một xi lanh thủy tinh.chứa đầy chất lỏng trong quá trình đo.
Công cụ được đề cập được sử dụng để chứng minh định luật Archimedes và xác định khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn.
Trình diễn luật Archimedes
Archimedes đã xác định rằng một cơ thể chìm trong chất lỏng sẽ thay thế nó, và trọng lượng của chất lỏng bị dịch chuyển chính xác bằng lực nổi tác động lên cơ thể. Chúng tôi sẽ chỉ ra cách thức, bằng cách sử dụng cân thủy tĩnh, có thể xác minh luật này.
Ở bát bên trái của thiết bị, trước tiên chúng ta sẽ treo một hình trụ kim loại rỗng, sau đó là một hình trụ đầy. Ta đặt các quả cân ở phía bên phải của cân để cân bằng thiết bị. Bây giờ chúng ta hãy đổ đầy nước vào hình trụ thủy tinh và đặt toàn bộ khối lượng kim loại của bát bên trái vào đó sao cho ngập hoàn toàn. Có thể quan sát rằng trọng lượng của tô bên phải sẽ lớn hơn, và cân bằng của thiết bị sẽ bị xáo trộn.
Sau đó, chúng tôi hút nước vào hình trụ rỗng phía trên. Chúng ta hãy xem làm thế nào những chiếc cân một lần nữa khôi phục lại sự cân bằng của chúng. Vì thể tích của các hình trụ kim loại bằng nhau, nên trọng lượng của nước bị dịch chuyển bởi một hình trụ đầy đủ sẽ bằng lực đẩy nó ra khỏi chất lỏng.
Hình ảnh dưới đây minh họa trải nghiệm được mô tả.
Đo khối lượng riêng của chất rắn
Đây là một trong những nhiệm vụ chính của cân thủy tĩnh. Thí nghiệm được thực hiện theo các bước sau:
- Cân nặng của cơ thể được đo, mật độ của nó sẽ được tìm thấy. Để làm được điều này, nó được treo vào móc của một trong những chiếc bát và các quả nặng có khối lượng thích hợp được đặt lên chiếc bát thứ hai. Hãy biểu thị những gì chúng tôi tìm thấycách giá trị của trọng lượng của ký hiệu tải m1.
- Phần thân đo được ngâm hoàn toàn trong ống đong thủy tinh chứa đầy nước cất. Ở vị trí này, cơ thể được cân lại. Giả sử khối lượng đo được là m2.
- Tính giá trị khối lượng riêng ρscủa chất rắn theo công thức sau:
ρs=ρl m1/ (m1- m2)
Đây ρl=1 g / cm3là khối lượng riêng của nước cất.
Vì vậy, để xác định khối lượng riêng của một vật rắn, cần phải đo trọng lượng của nó trong không khí và trong chất lỏng mà khối lượng riêng của nó đã được biết trước.
Xác định khối lượng riêng của chất lỏng
Nguyên tắc của Archimedes, là cơ sở cho hoạt động của cân thủy tĩnh, cho phép bạn đo tỷ trọng của bất kỳ chất lỏng nào bằng cách sử dụng thiết bị được đề cập. Hãy mô tả cách nó được thực hiện:
- Một tải tùy ý được thực hiện. Nó có thể là một hình trụ rắn bằng kim loại hoặc bất kỳ phần thân nào khác có hình dạng tùy ý. Sau đó, tải được nhúng trong chất lỏng có khối lượng riêng đã biết là ρl1và trọng lượng của tải được đo m1.
- Cùng tải được nhúng hoàn toàn vào chất lỏng có khối lượng riêng ρl2. Viết ra giá trị khối lượng của nó trong trường hợp này (m2).
- Các giá trị đo được thay thế vào công thức và xác định khối lượng riêng của chất lỏng ρl2:
ρl2=ρl1 m2/ m1
Bnước cất thường được sử dụng như một chất lỏng có tỷ trọng đã biết (ρl1=1 g / cm3).
Như vậy, cân thủy tĩnh của Galileo khá dễ sử dụng để xác định khối lượng riêng của chất và vật liệu. Độ chính xác của kết quả của họ là trong vòng 1%.
