Yoğunluk: Kütle ve Hacim Rehber

FizikBaşlangıçOkuma süresi: 3 dk

Genel Bakış

Neden aynı boyuttaki bir plastik blok bir demir bloktan çok daha hafiftir? Neden yağ her zaman suyun üzerinde yüzer? Her şey maddenin doğasında var olan bir özelliğe, yani yoğunluğa bağlıdır. Farklı hacimlerdeki farklı maddelerin (alüminyum, demir, bakır, ahşap) kütlesini ölçerek, bu deney kütle ve hacim arasındaki nicel ilişkiyi ortaya çıkarmayı ve 'grafik eğimini' kullanarak yoğunluğun fiziksel anlamını sezgisel olarak sunmayı amaçlamaktadır.

Arka Plan

Eski zamanlarda, insanlar genellikle 'Bir pound pamuk mu yoksa bir pound demir mi daha ağırdır?' gibi sorularla şaşırırdı. Yoğunluk kavramının yerleşmesine kadar ağırlığın iki anlamı olduğunu anlamamıştık: biri nesnenin toplam kütlesi (ağırlığı), diğeri ise malzemenin kendisinin yoğunluğudur. Yoğunluk (Density), bir maddenin içindeki mikroskobik parçacıkların düzeninin yoğunluğunu yansıtır. Madde türlerini tanımlamak için önemli bir 'kimlik kartıdır' ve aynı zamanda Arşimet'in altın tacın gerçekliğinin doğrulanması için temel dayanaktır.

Temel Kavramlar

Kütle (Mass, $m$ )

m

Bir nesnede bulunan madde miktarı. Uluslararası Birimler Sisteminde temel birim kilogramdır ( $kg$ ) ve bu deneyde gram ( $g$ ) yaygın olarak kullanılır.

Hacim (Volume, $V$ )

V

Bir nesnenin kapladığı alan miktarı. Deneylerde birim olarak genellikle santimetreküp ( $cm^3$ ) veya mililitre ( $mL$ ) kullanılır.

Yoğunluk (Density, $\rho$ )

\rho = \frac{m}{V}

Birim hacim başına bir maddenin kütlesi. Maddenin türüne göre belirlenen maddenin kendisine ait bir özelliktir ve kütle veya hacmin büyüklüğü ile ilgisizdir.

Formüller ve Türetme

Yoğunluk Tanımı

\rho = \frac{m}{V}

Birim genellikle

g/cm^3

veya

kg/m^{3}

'tür. Dönüşüm ilişkisi:

1g/cm^3 = 1.0\times10^3 kg/m^3

Deney Adımları

1
Mikroskobik Varsayım
Kontrol panelinde farklı 'Maddeler' (alüminyum veya ahşap gibi) arasında geçiş yapın. Soldaki mikroskobik görünümde parçacık düzeninin yoğunluğunu gözlemleyin. Sizce hangi madde parçacıkları daha kalabalıktır? Bu daha büyük veya daha küçük bir yoğunluğa karşılık gelecek mi?
2
Kütle ve Hacmi Keşfet
$V$ 'yi artırmak için hacim kaydırıcısını sürükleyin. Elektronik terazi okuması $m$ 'nin nasıl değiştiğini gözlemleyin. Hacim orijinalin 2 katı olduğunda, kütle de 2 katı oluyor mu?
3
Değişmezi Bul
En az 3 set $m$ ve $V$ verisi kaydedin. Her set için $\frac{m}{V}$ oranını hesaplayın. Aynı madde için bu oranda ne tür bir desen buluyorsunuz?
4
Grafik Analizi
Başka bir maddeye geçin ve ölçümü tekrarlayın. Oluşturulan $m-V$ grafiğini gözlemleyin ve iki çizginin dikliğini (eğimini) karşılaştırın. Daha dik bir eğim hangi fiziksel anlamı temsil eder?

Öğrenme Çıktıları

Aynı maddenin kütlesinin hacmiyle doğru orantılı olduğunu anlayın ( $m \propto V$ ).
Yoğunluğun tanımına ve fiziksel anlamına hakim olun: maddenin bir özelliği.
Malzeme özelliklerini analiz etmek için $m-V$ grafiklerini kullanmayı öğrenin, eğimin yoğunluğu temsil ettiğini anlayın ( $k=\rho$ ).
Mikroskobik karşılaştırma yoluyla, yoğunluktaki makroskobik farklılıkların mikroskobik parçacıkların kütlesinden ve düzenleme boşluklarından kaynaklandığını fark edin.

Gerçek Dünya Uygulamaları

Malzeme Tanımlama: Yoğunluğu ölçerek, bir metal yüzüğün saf altın olup olmadığı önceden belirlenebilir.
Endüstriyel Malzeme Seçimi: Havacılık alanı, alüminyum alaşımları ve titanyum alaşımları gibi düşük yoğunluklu ve yüksek mukavemetli 'hafif malzemelere' öncelik verir.
Tarımsal Uygulama: Tohum seçimi için tuzlu su kullanma. Dolgun tohumlar tuzlu sudan daha büyük bir yoğunluğa sahiptir ve batarken, buruşuk tohumların yoğunluğu düşüktür ve yüzer.
Ürün Tasarımı: Cep telefonu üreticileri ince ve hafif bir his peşinde koşarak, daha düşük yoğunluğa sahip yüksek mukavemetli kompozit malzemeler seçerler.

Yaygın Hatalar

Yanlış

Büyük bir alüminyum parçasının yoğunluğu, küçük bir alüminyum parçasının yoğunluğundan daha büyüktür.

Doğru

Yanlış. Yoğunluk, tıpkı bir isim gibi maddenin bir özelliğidir. Maddenin türü, durumu ve sıcaklığı değişmediği sürece yoğunluğu sabittir. Büyük bir alüminyum parçasının kütlesi büyüktür ancak hacmi de büyüktür, bu nedenle oran (yoğunluk) değişmez.

Yanlış

1kg

demir,

1kg

pamuktan daha ağırdır.

Doğru

Yanlış. Her ikisinin de kütlesi

1kg

'dır, bu nedenle yerçekimleri eşittir. İnsanlar normalde 'demir pamuktan daha ağırdır' dediklerinde, fiziksel olarak 'demirin yoğunluğu pamuğun yoğunluğundan daha büyüktür' demek isterler.

Ek Okuma

Başlamaya hazır mısın?

Temelleri anladığına göre, etkileşimli deneye başla!

Deneyi Başlat Sınavı Başlat

Genel Bakış

Arka Plan

Temel Kavramlar

Kütle (Mass, mmm)

Hacim (Volume, VVV)

Yoğunluk (Density, ρ\rhoρ)