Mật độ: Khối lượng và Thể tích Hướng dẫn

Vật lýNgười mới bắt đầuThời gian đọc: 4 phút

Tổng quan

Tại sao một khối nhựa nhẹ hơn nhiều so với một khối sắt có cùng kích thước? Tại sao dầu luôn nổi trên mặt nước? Tất cả phụ thuộc vào một tính chất vốn có của vật chất — khối lượng riêng (mật độ). Bằng cách đo khối lượng của các chất khác nhau (nhôm, sắt, đồng, gỗ) ở các thể tích khác nhau, thí nghiệm này nhằm mục đích tiết lộ mối quan hệ định lượng giữa khối lượng và thể tích, và trình bày trực quan ý nghĩa vật lý của khối lượng riêng bằng cách sử dụng 'độ dốc của đồ thị'.

Bối cảnh

Vào thời cổ đại, mọi người thường bối rối với những câu hỏi như 'Một cân bông hay một cân sắt nặng hơn?'. Mãi cho đến khi khái niệm khối lượng riêng được thiết lập, chúng ta mới hiểu rằng trọng lượng có hai ý nghĩa: một là tổng khối lượng (trọng lượng) của vật thể, và hai là độ đặc của chính vật liệu đó. Khối lượng riêng (Density) phản ánh độ đặc của sự sắp xếp các hạt vi mô bên trong một chất. Nó là một 'thẻ căn cước' quan trọng để xác định các loại vật chất, và cũng là cơ sở cốt lõi để Archimedes xác minh tính xác thực của vương miện vàng.

Khái niệm chính

Khối lượng (Mass, $m$ )

m

Lượng vật chất chứa trong một vật thể. Trong Hệ đo lường quốc tế, đơn vị cơ bản là kilogam ( $kg$ ), và gam ( $g$ ) thường được sử dụng trong thí nghiệm này.

Thể tích (Volume, $V$ )

V

Lượng không gian mà một vật thể chiếm giữ. Centimét khối ( $cm^3$ ) hoặc mililit ( $mL$ ) thường được sử dụng làm đơn vị trong các thí nghiệm.

Khối lượng riêng (Density, $\rho$ )

\rho = \frac{m}{V}

Khối lượng của một chất trên một đơn vị thể tích. Nó là một tính chất của chính chất đó, được xác định bởi loại chất, và không liên quan đến độ lớn của khối lượng hoặc thể tích.

Công thức và diễn giải

Định nghĩa Khối lượng riêng

\rho = \frac{m}{V}

Đơn vị thường là

g/cm^3

hoặc

kg/m^{3}

. Mối quan hệ chuyển đổi:

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

Các bước thí nghiệm

1
Giả thuyết Vi mô
Chuyển đổi giữa các 'Chất' khác nhau (như nhôm hoặc gỗ) trong bảng điều khiển. Quan sát mật độ sắp xếp của các hạt trong chế độ xem vi mô ở bên trái. Bạn nghĩ các hạt chất nào đông đúc hơn? Điều này sẽ tương ứng với khối lượng riêng lớn hơn hay nhỏ hơn?
2
Khám phá Khối lượng và Thể tích
Kéo thanh trượt thể tích để tăng $V$ . Quan sát cách số đọc cân điện tử $m$ thay đổi. Khi thể tích trở thành gấp 2 lần ban đầu, khối lượng có cũng trở thành gấp 2 lần không?
3
Tìm Bất biến
Ghi lại ít nhất 3 bộ dữ liệu $m$ và $V$ . Tính tỷ lệ $\frac{m}{V}$ cho mỗi bộ. Bạn tìm thấy quy luật nào trong tỷ lệ này đối với cùng một chất?
4
Phân tích Đồ thị
Chuyển sang chất khác và lặp lại phép đo. Quan sát đồ thị $m-V$ được tạo ra và so sánh độ dốc của hai đường. Độ dốc dốc hơn thể hiện ý nghĩa vật lý nào?

Mục tiêu học tập

Hiểu rằng khối lượng của cùng một chất tỷ lệ thuận với thể tích của nó ( $m \propto V$ ).
Nắm vững định nghĩa về khối lượng riêng và ý nghĩa vật lý của nó: một tính chất của vật chất.
Học cách sử dụng đồ thị $m-V$ để phân tích tính chất vật liệu, hiểu rằng độ dốc đại diện cho khối lượng riêng ( $k=\rho$ ).
Nhận ra thông qua so sánh vi mô rằng sự khác biệt vĩ mô về khối lượng riêng bắt nguồn từ khối lượng của các hạt vi mô và khoảng cách sắp xếp của chúng.

Ứng dụng thực tế

Nhận dạng Vật liệu: Bằng cách đo khối lượng riêng, người ta có thể xác định sơ bộ xem một chiếc nhẫn kim loại có phải là vàng nguyên chất hay không.
Lựa chọn Vật liệu Công nghiệp: Lĩnh vực hàng không vũ trụ ưu tiên 'vật liệu nhẹ' có khối lượng riêng thấp và độ bền cao, chẳng hạn như hợp kim nhôm và hợp kim titan.
Ứng dụng Nông nghiệp: Sử dụng nước muối để chọn hạt giống. Hạt chắc có khối lượng riêng lớn hơn nước muối và chìm xuống, trong khi hạt lép có khối lượng riêng thấp và nổi lên.
Thiết kế Sản phẩm: Các nhà sản xuất điện thoại di động theo đuổi cảm giác mỏng và nhẹ, chọn vật liệu composite cường độ cao với khối lượng riêng thấp hơn.

Sự hiểu lầm phổ biến

Sai

Khối lượng riêng của một miếng nhôm lớn lớn hơn khối lượng riêng của một miếng nhôm nhỏ.

Đúng

Sai. Khối lượng riêng là một tính chất của vật chất, giống như một cái tên. Miễn là loại, trạng thái và nhiệt độ của chất không đổi, khối lượng riêng của nó là không đổi. Một miếng nhôm lớn có khối lượng lớn nhưng cũng có thể tích lớn, vì vậy tỷ lệ (khối lượng riêng) không đổi.

Sai

1kg

sắt nặng hơn

1kg

bông.

Đúng

Sai. Cả hai đều có khối lượng

1kg

, vì vậy trọng lực của chúng bằng nhau. Khi mọi người thường nói 'sắt nặng hơn bông', về mặt vật lý họ có nghĩa là 'khối lượng riêng của sắt lớn hơn khối lượng riêng của bông'.

Đọc thêm

Sẵn sàng bắt đầu?

Bây giờ bạn đã nắm được kiến thức cơ bản, hãy bắt đầu thí nghiệm tương tác!

Bắt đầu thí nghiệm Bắt đầu trắc nghiệm

Tổng quan

Bối cảnh

Khái niệm chính

Khối lượng (Mass, mmm)

Thể tích (Volume, VVV)

Khối lượng riêng (Density, ρ\rhoρ)