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物理学专业术语,在物理学中,把某种物质的质量与该物质体积的比值叫作这种物质的密度。密度是一个物理量,符号为ρ。我们通常使用密度来描述物质在单位体积下的质量。这个概念在化学、材料科学等其他自然科学领域也经常使用。以下我们主要讨论密度在物理学中的概念以及应用举例。 此外,密度也可以引申为一个量与一个范围的比值,作为这种情况下的简称,例如人口密度、磁通密度(又称磁感应强度) 密度通常用“ρ”(读做rou一声)表示。 英文:density

简介

在物理学中,把某种物质的质量与该物质体积的比值叫作这种物质的密度。
密度是物质的一种物理特性,不随形状和空间地理位置的变化而变化,随物质的状态、温度、压强的变化而变化。可以根据密度来鉴别物质,不同物质的密度一般不同,而同种物质的质量与体积的比值是一定的。密度反映了不同物质的不同性质。
密度通常用“ρ”(读做rou)表示。
密度也可以引申为一个量与一个范围的比值,作为这种情况下的简称,例如人口密度、磁通密度(又称磁感应强度)等。

公式

密度的公式 :ρ=m/V,ρ=dm/dV(ρ表示密度、m表示质量、 V表示体积)
密度公式变形:V=m/ρ,m=ρV,m=∫ρ(V)dV。
质量m可以用天平测量,液体和形状不规则的固体的体积v可以用量筒或量杯测量。
正确理解密度公式时,要注意条件和每个物理量所表示的特殊含义。从数学的角度看有三种情况(判断正误):
  1. ρ一定时,m和V 成正比;(因为ρ=m/V,ρ一定,m增大,V也增大,所以成正比)
  2. m 一定时,ρ与 V 成反比 ;
  3. V 一定时,ρ与 m 成正比。
结合物理意义,三种情况只有(1)的说法正确,(2)(3) 都是错误的。因为同种物质的密度是一定的,它不随体积和质量的变化而变化,所以在理解物理公式时,不可能脱离物理事实,不能单纯地从数学的角度理解物理公式中各量的关系。

单位

国际单位制中,密度的单位是由质量单位和体积单位组合而成,写作 “ 千克 / 米 3“。读作千克立方米,用符号kg/m³或kg*m -3
常用的单位有:
(1)克/厘米³,正确读法是克每立方厘米,符号为 g/cm³(或g/mL);,
(2)千克/分米³;正确读法是千克每立方分米,符号为kg/dm³(或kg/L)
它们之间的换算关系 :
l g/cm³=1kg/dm³=10 ³kg/m³。
例如水的密度是1g/cm³,也就是1kg/dm³ 或1×10³kg/m³。

水的密度值为 1000kg/m³,即1g/cm³
它的物理意义是体积为1立方厘米水的质量为1克。
一般而言,物质的质量不受温度影响(影响非常小),但是体积会热胀冷缩。所以温度上升时体积膨胀(水除外),密度相对就变小了。相反的,物质在温度下降时体积缩小,密度会变大。不过水是例外,水的密度大于冰,因为水的密度在4℃时最大,水温只要从4℃上升或下降,密度都会变小。也就是说4℃的水,液体中只有水的体积在受热时也膨胀、冷却时也膨胀。所以水总是由表面开始结冰,密度最大的4℃的水会沉入最底层。这个性质非常重要,在严寒的冬天,虽然水的表面已结冰,但在湖泊的底层仍维持4℃左右,使水中的生物可安然度过冬天。
水

分析

人体的密度仅有1.02 g/cm³,只比水的密度多出一些,所以学游泳应该不会太难吧! 汽油的密度比水小,所以你知道为什么在路上看到的油渍,都会浮在水面上了吧。海水的密度大于水,人体在海水中比较容易浮起来。

其它

密度在国际单位制中的主单位是“kg/m³”,这是绝大多数同学都能够掌握的,但是要换算单位,不少同学却感到困难了。例如:铁的密度是7.8×10 3kg/m³=7.8g/cm³。这个问题可以利用单位换算中的基该方法来解决,那就是分子里的单位变小多少倍,换算后的数值就变大多少倍:1千克
密度

密度

=10³克;分母中的单位变小多少倍,换算后的数值要变小多少倍:1m³=10 6cm³,因此,7.8×10³kg/m³=7.8×10³×(10³/10 6)g/cm³=7.8g/cm³;根据这种换算方法;分析一下可以得出密度的单位有一个规律,即:对于某种物质的密度,在分别用“g/cm³”,“kg/dm³”和“t/m³”来做单位时,它们的数值是相同的。例如,铁的密度,按照这个规律可知:ρ =7.8g/cm³=7.8kg/dm³=7.8t/m³。这个“7.8”就是课本上密度表中铁的密度值去掉10³得到的。记住这个规律,不但给密度单位的换算带来很大的方便,而且使一些涉及密度计算的问题变得简单。例如用这种方法来记算水的质量,就是1厘米³(毫升)水的质量是1克,1分米³(升)水的质量是1千克,1米³水的质量是1吨。

相关应用

科学上

1.鉴别组成物体的材料。
密度是物质的特性之一,每种物质都有一定的密度,不同物质的密度一般是不同。因此我们可以利用密度来鉴别物质。其办法是是测定待测物质的密度,把测得的密度和密度表中各种物质的密度进行比较,就可以鉴别物体是什么物质做成的。
2.计算物体中所含各种物质的成分。
3.计算很难称量的物体的质量或形状比较复杂的物体的体积。
根据密度公式的变形式:m=Vρ或 ,
可以计算出物体的质量和体积,特别是一些质量和体积不便直接测量的问题,如计算不规则形状物体的体积、纪念碑的质量等。
4 .判定物体是实心还是空心。
判定物体是空心的还是实心的,一般有以下三种方法 :
(1)根据公式,求出其密度 ,再与该物质密度ρ比较,若 <ρ,则为空心,若 =ρ,为实心。
(2)已知质量,由公式
,求出V ,再与V 比较,若V <V ,则为空心,若V=V ,则该物体为实心。
密度

密度

(3) 把物体当作实心物体对待,利用,求出体积为v的实心物体的质量, 然后将m 与物体实际质量m 比较,若m>m 时,则该物体为空心,若m=m ,则该物体为实心。
5.计算液体内部压强以及浮力等。
6. 鉴别未知物质
”就是通过计算未知气体的密度发现的。经多次实验后又经光谱分析,确认空气中含有一种以前不知道的新气体,把它命名为氩。

农业上

对于密度是一个重要的依据。在农业上可用来判断土壤的肥力,含腐殖质多的土壤肥沃,其密度一般为2.3×10³千克/米³。根据密度即可判断土壤的肥力。在选种时可根据种子在水中的沉、浮情况进行选种:饱满健壮的种子因密度大而下沉;瘪壳和其他杂草种子由于密度小而浮在水面。在工业生产上如淀粉的生产以土豆为原料,一般来说含淀粉多的土豆密度较大,故通过测定土豆的密度可估计淀粉的产量。

工业上

工厂在铸造金属物之前,需估计熔化多少金属,可根据模子的容积和金属的密度算出需要的金属量

测量方法

【实验原理】

称量法

【实验器材】
天平、量筒、水、金属块、细绳。
【实验步骤】
1.用天平称出金属块的质量m
2.往量筒中注入适量水,读出体积为V 1
3.用细绳系住金属块放入量筒中,浸没,读出体积为V 2
【计算表达式】

比重杯法

【实验器材】
烧杯、水、金属块、天平。
【实验步骤】
1.往烧杯装满水,放在天平上称出质量为 m 1
2.将金属块轻轻放入水中,溢出部分水,再将烧杯放在天平上称出质量为m 2;
3.将金属块取出,把烧杯放在天平上称出烧杯和剩下水的质量m 3
【计算表达式】
ρ=ρ (m 2-m 3)/(m 1-m 3)

阿基米德定律法

【实验器材】
弹簧秤金属块、水、细绳。
【实验步骤】
1.用细绳系住金属块,用弹簧秤称出金属块的重力G;
2.将金属块完全浸入水中,用弹簧秤称出金属块在水中的视重G/;
【计算表达式】
ρ=Gρ /(G-G/)

浮力法1

【实验器材】
木块、水、细针、量筒。
【实验步骤】
1.往量筒中注入适量水,读出体积为V 1
2.将木块放入水中,漂浮,静止后读出体积 V 2
3.用细针插入木块,将木块完全浸入水中,读出体积为V 3
【计算表达式】ρ=ρ (V 2-V 1)/(V 3-V 1)

浮力法2

【实验器材】
刻度尺、大烧杯、水、小烧杯、小石块(ρ>水)
【实验步骤】
1.在大烧杯内放入适量水,再将小烧杯杯口朝上轻轻放入,让其漂浮,用刻度尺测出大烧杯中水的高度h 1
2.将小石块轻轻放入小烧杯中(此时小烧杯应漂浮),用刻度尺测出大烧杯中水的高度h 2
3.将小石块从杯中取出,放入水中,用刻度尺测出大烧杯中水的高度h 3
【计算表达式】
ρ=ρ (h 2-h 1)/(h 3-h 1)

密度计法

【实验器材】鸡蛋、密度计、水、盐、玻璃杯。
【实验步骤】
1.在玻璃杯中倒入适量水,将鸡蛋轻轻放入,鸡蛋下沉;
2.往水中逐渐加盐,边加边用密度计搅拌,直至鸡蛋悬浮,用密度计测出盐水的密度即等到于鸡蛋的密度。
实物微粒
量子力学明确指出,对于实物微粒,密度ρ的含义是该粒子在空间任一微小区域(数学术语是“体积元”)里出现的概率,即概率密度。

密度与浮力的关系

物体在水中
ρ 物体,物体漂浮(上浮)
ρ物体= ρ ,物体悬浮
ρ 物体,物体沉底(下沉
对于任何液体
ρ 物体,物体漂浮(或上浮)
ρ 物体= ρ ,物体悬浮
ρ 物体,物体沉底(或下沉)
当ρ物体≤ρ液时(物体漂浮或悬浮)
物体在水中的体积:物体的体积=ρ 物体:ρ
当ρ 物体= ρ (物体悬)浮时,物体在水中的体积:物体的体积=1:1

常见物质的密度

(在常温常压下,单位g/cm3

液体

水1.0
煤油0.8
乙醇0.79
汽油0.75
13.6
液氦0.1252

固体

泡沫塑料0.01~0.03
8.9
铁7.8
白口铸铁7.40~7.70
灰口铸铁6.60~7.40
可锻铸铁7.20~7.40
7.80
玻璃2.4~2.8
石蜡0.9
干松木0.5
木材0.4~0.9
冰0.9
铅11.3
银10.5
铬钼铝钢7.65
7.10
8.9
高强度合金钢7.82
工业纯铁7.87
0.534
0.87
0.97
1.53
1.55
1.74
白磷1.83
铍1.85
1.87
黄色2.0
纯铝2.70
2.07
红磷2.20
22.6
铬镍钨钢7.80
普通碳素钢7.85
易切钢7.85
铸镁1.80
优质碳素钢7.85
锰钢7.81
铸锌6.86

气体

氢气0. 00009
氦气0. 00018
氖气0. 00090
氮气0. 00125
氧气0. 00143
氟气0. 001696
氩气0. 00178
臭氧(O 3) 0. 00214
氨气 0. 00077
氪气0.00374
氙气0. 00589
氡气0. 00973
煤气0. 00060
一氧化碳0. 00125
氯气0. 00321
溴0. 00714
硫化氢0.00154
氯化氢0. 00164
甲烷0. 00078
氧化氮0. 00134
硫化氢0. 00154
乙炔0. 00117
乙烷0. 00136
丙烷0.00201
丙烯0.00192
二氧化碳0. 00198
二氧化硫0.00293
碘化氢0.00566
溴化氢0.0350
空气0.00129
黑洞 无限大