Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Ten materiał nie może być udostępniony

Być może zauważyłeś, że czasem ciało o niewielkich rozmiarach ma dużą masę, a ciała o sporych rozmiarach (np. pudło styropianowe) możemy łatwo podnieść, bo ich masa jest niewielka. Aby to wyjaśnić, wprowadzimy pojęcie gęstości ciała. Pozwoli ci ono zrozumieć opisaną poniżej sytuację i wiele innych zagadnień.

RaFoEOWYJ66nY1
Rtęć zachowuje się pozornie jak woda ale jej gęstość jest aż 13,5-krotnie większa od gęstości wody!

Uwaga: ze względu na swoje trujące właściwości, rtęć nie może być używana w doświadczeniach przeprowadzanych w szkole.

Już potrafisz
  • stwierdzić, że materia ma budowę cząsteczkową;

  • dokonać podziału materii na trzy stany skupienia: stały, ciekły i gazowy;

  • stwierdzić, że masa jest miarą ilości materii;

  • podać definicję objętości ciała.

Nauczysz się
  • obliczać gęstość ciała;

  • posługiwać się pojęciem gęstości ciała, potrzebnym do analizowania zjawisk;

  • wyrażać gęstość w jednostkach układu SI;

  • wykonywać działania na jednostkach gęstości (w tym: zamieniać jednostki);

  • uzasadniać, dlaczego ciała zbudowane z różnych substancji mają różną gęstość;

  • korzystać ze związku miedzy masą, gęstością i objętością ciała do wykonywania różnych obliczeń;

  • porównywać gęstości różnych substancji, zamieszczone w tablicach wielkości fizycznych.

i7R8RovQRy_d5e200

1. Rozmiary ciał a ich masa

Niekiedy zaskakuje cię ciężar pewnych przedmiotów, np. gdy niesiesz dwie płyty (styropianową i gipsowo‑kartonową) o tych samych rozmiarach, czujesz, że ich masy zdecydowanie się różnią. W codziennym życiu możesz się także przekonać, że drewniany sześcian jest lżejszy od sześcianu ze stali o tym samym kształcie i identycznym rozmiarze.

R1IaQpJvjLawY1
Porównanie mas sześcianów wykonanych z drewna i stali o tych samych rozmiarach

Z drugiej strony, przedmioty o różnych rozmiarach mogą mieć taką samąmasęmasamasę. Trudno to przewidzieć bez znajomości materiałów, z których dane przedmioty zostały wykonane. Największa bryła została zrobiona ze styropianu, średnia z korka, a najmniejsza ze stali.

R1deEFTQd8Mbg1
Sześciany o masie 1 kg wykonane z różnych z różnych materiałów

Dzięki odpowiedniemu doborowi wymiarów wszystkie pokazane na rysunku sześciany ma masę 1 kg.

Zapamiętaj!

Masa ciała zależy zarówno od materiału, z jakiego zostało ono wykonane, jak i od jego wymiarów (objętości).

Ćwiczenie 1
R1AbKuWkM2S6S1
zadanie interaktywne
i7R8RovQRy_d5e257

2. Objętość

ObjętośćobjętośćObjętośćto wielkość fizyczna, która jest miarą przestrzeni zajmowanej przez dane ciało. W układzie SI jednostką objętości jest metr sześcienny. Spróbuj wyobrazić sobie kostkę (lub pokaż ją za pomocą rąk) o wymiarach 1 m na 1 m na 1 m. Na co dzień używamy mniejszych jednostek takich jak decymetry sześcienne (litry) i centymetry sześcienne (mililitry). Wyobraź sobie lub pokaż za pomocą rąk kostkę o objętości 1 dm3 (wymiary 10 cm na 10 cm na 10 cm).

Jak wyznaczyć objętość ciała o dowolnym kształcie?

R1BHDhShkiQGS1
Polecenie 1

Za pomocą metody opisanej w filmie, wyznacz objętość ciała o nieregularnym kształcie. Może to być np. duża śruba lub łyżeczka do herbaty.

Uwaga!

Po obejrzeniu filmu zastanów się, co wpływa na zmianę objętości wody wypieranej przez klucz zawieszony na łańcuszku. Co trzeba zrobić, aby możliwie dokładnie wyznaczyć tą metodą objętość śruby lub łyżeczki?

Ćwiczenie 2
R13xzkigTTX381
zadanie interaktywne
i7R8RovQRy_d5e307

3. Zależność masy od objętości

Czy ciała o większej masie mają większą objętość, a ciała o większej objętości – większą masę? Aby się o tym przekonać, przeprowadź prosty eksperyment.

1
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy przedmiot wykonany z takiego samego materiału, ale mający większą objętość, ma większą masę?

Hipoteza

Im większa jest objętość ciał wykonanych z tego samego materiału, tym większa jest ich masa. Stosunek masy do objętości pozostaje stały.

Co będzie potrzebne
  • zestaw odważników 200 g, 100 g, 50 g i 20 g, wykonanych z tego samego materiału;

  • wyskalowane naczynie (menzurka);

  • woda.

Instrukcja
  1. Za pomocą menzurki zmierz objętość poszczególnych odważników.

  2. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli.

  3. Przerysuj poniższą tabelę do zeszytu i ją uzupełnij..

  4. Zilustruj graficznie wyniki pomiarów. Wykonaj wykres zależności masy ciała od jego objętości m(V). Najpierw narysuj oś poziomą, która będzie przedstawiała zmiany objętości wyrażone w centymetrach sześciennych, potem zaś – oś pionową. Zaznacz na niej wartości masy wyrażone w gramach. Na tak przygotowany układ współrzędnych nanieś odpowiednie punkty (posłuż się wartościami zapisanymi w tabeli).

Podsumowanie

Z przeprowadzonego doświadczenia wynika, że masa ciała rośnie wraz ze wzrostem objętości – masa rośnie tyle razy, ile rośnie objętość. Dla danej substancji stosunek masy ciała do jego objętości jest stały.

Doświadczenie pokazało, że masa ciała zmienia się wraz ze zmianą jego objętości. Dwukrotny wzrost objętości ciała powoduje dwukrotny wzrost jego masy, trzykrotny wzrost objętości ciała – trzykrotny wzrost jego masy itd. Oznacza to, że dla ciał wykonanych z tego samego materiału iloraz masy i objętości musi pozostać stały.

masaobjętość=mV=wartość stała

Zapamiętaj!

Warto zaznaczyć, że rozpatrujemy tylko ciała o budowie jednorodnej (substancja jest rozłożona równomiernie w przestrzeni zajmowanej przez ciało, np. kostkę ze stali). Nie bierzemy pod uwagę ciał mających w środku duże puste przestrzenie (np. pudełka wykonanego z blachy stalowej).

Ćwiczenie 3
R19Y2Der2rhxy1
zadanie interaktywne
i7R8RovQRy_d5e414

4. Gęstość ciał

Iloraz masy i objętości danego ciała nazywamy jegogęstościągęstość (d)gęstością. Z doświadczenia z poprzedniego paragrafu wiesz już, że w przypadku ciał wykonanych z tego samego materiału iloraz masy i objętości pozostaje stały. Gęstość jest więc wielkością charakterystyczną dla danej substancji. Jednostką gęstości w układzie SI jest kg na metr sześcienny. Oznaczamy ją literą d lub rzadziej grecką literą rho („ro”).

gęstość (d)
gęstość (d)

– wartość ilorazu masy (m) ciała i jego objętości (V) stała dla danej substancji.

Wzór na gęstość:

d=mVkgm3

gdzie: d – gęstość; m – masa ciała; V – jego objętość.

Zapamiętaj!

Gdy podajesz gęstość w kilogramach na metr sześcienny, dowiadujesz się, jaką masę w kilogramach ma jeden metr sześcienny substancji.

RToCB8gxgRRgV1
Aplikacja umożliwia wyznaczenie gęstości ciała. Po prawej stronie znajduje się cylinder miarowy z wodą. Cylinder ma kształt walca. Na cylindrze widnieje skala. Na skali poziomymi kreskami oznaczono objętość od 10 do 70 centymetrów sześciennych. Dzięki skali można odczytać, że w cylindrze znajduje się 40 centymetrów sześciennych wody. Po prawej stronie znajduje się waga. Waga ma cyfrowy wyświetlacz, który wyświetla wagę w gramach z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku. Waga jest stalowoszara. Na dole znajdują się cztery sztabki. Kształt prostopadłościenny. Sztabki wykonane z różnych materiałów. Każda podpisana. Pierwsza sztabka: „złoto”. Barwa żółto‑złota. Druga sztabka: „ołów”. Barwa ciemnoszara. Trzecia sztabka: „miedź”. Bardzo brązowo‑ruda. Ostatnia, czwarta sztabka: „Marmur”. Barwa jasnoszara. Za pomocą kursora myszy, każdą sztabkę można przenieść do cylindra lub położyć na wadze. Po włożeniu każdej ze sztabek do cylindra z wodą, poziom wody podnosi się. W każdym przypadku wskazuje 50 centymetrów sześciennych. Po położeniu sztabki na wadze, wskaźnik wagi wyświetla jej masę. Każda ze sztabek ma inną masę. „Złoto”: 192,82 g. „Ołów”: 113,50 g. „Miedź”: 89,33 g. „Marmur”: 26,70 g. Pod sztabkami znajduje się tabela. Do tabeli należy wpisać wyniki pomiarów dla poszczególnych sztabek: objętość oraz masę. Następnie należy obliczyć gęstość poszczególnych materiałów, z których wykonano sztabki.
Wyznaczanie gęstości wybranych ciał

Podstawową jednostką gęstości jest kilogram na metr sześcienny. W praktyce dla wygody dość często wyrażamy gęstości ciał w mniejszych jednostkach, np. gcm3. W takiej sytuacji musimy skorzystać z zależności między jednostkami.

R12icGXZuUk5Z1
Ciekawostka

Gęstość ma związek z utrzymywaniem się ciał na powierzchni cieczy – w zależności od tego, jaka jest gęstość ciała w porównaniu z gęstością cieczy, ciało będzie tonąć lub utrzymywać się powierzchni cieczy. Wynika to z prawa Archimedesaprawo Archimedesaprawa Archimedesa.

Ciekawostka

Bloczki z gazobetonu (betonu komórkowego), używane do budowy domów, są lżejsze niż te betonowe (o tych samych rozmiarach), ponieważ zawierają dużo pęcherzyków powietrza. Dzięki temu gęstość betonu komórkowego jest mniejsza niż gęstość zwykłego betonu.

Ciekawostka

Gęstość substancji zmienia się wraz ze zmianą temperatury i/lub ciśnienia.

Ćwiczenie 4
R17PBKdA7L0yR1
zadanie interaktywne
i7R8RovQRy_d5e506

5. Gęstości różnych substancji

W wielu sytuacjach gęstość jest cenną wskazówką pozwalającą rozpoznać, z jakiego materiału jest wykonane dane ciało. Aby ułatwić to zadanie, stworzono tabele gęstości wybranych substancji. Pamiętajmy jednak, że wiele substancji ma zbliżone gęstości. Właściwą klasyfikację komplikują również stopy o różnym składzie chemicznym.

Przykłady substancji o zbliżonych gęstościach

Ciało

dkgm3

grafit

2300–2720

gips

2320

krzem

2330

beryl

2700

aluminium

2720

kwarc

2750

Zapoznaj się z tablicami gęstości wybranych ciał stałych w temperaturze 20°C. Poniżej umieszczono tablice gęstości ciał stałych, cieczy i gazów.

Gęstości wybranych ciał stałych

Ciało stałe

dkgm3

cynk

7131

drewno topoli

350–400

drewno lipy

320–590

drewno sosny

370–600

drewno dębu

600–900

duraluminium

2790

kwarc

2300–2700

miedź

8960

mosiądz

8200–8950

ołów

11 336

platyna

21 410

stal nierdzewna

8100

złoto

19 320

żelazo kute

7800–7900

lód (0°C)

920

sól kamienna

2160

Gęstości wybranych cieczy

Ciecze

dkgm3

alkohol etylowy

791

ciekły azot (–196°C)

808

benzyna

700

eter

720

gliceryna

1260

nafta

800

oliwa

920

rtęć

13 550

woda destylowana (4°C)

1000

ciekły wodór (–253°C)

71

Gęstości wybranych gazów (pod ciśnieniem atmosferycznym 1013 hPa)

Gazy

dkgm3

argon

1,784

azot

1,250

chlor

3,22

dwutlenek węgla

1,98

etan

1,36

hel

0,178

metan

0,717

powietrze

1,293

tlen

1,429

wodór

0,09

i7R8RovQRy_d5e560

Podsumowanie

  • Masa ciała zależy zarówno od materiału, z jakiego zostało ono wykonane, jak i od objętości tego ciała.

  • Objętość to wielkość fizyczna, która jest miarą przestrzeni zajmowanej przez dane ciało.

  • W przypadku ciał wykonanych z tego samego materiału iloraz masy i objętości jest stały.

masaobjętość=mV=wartość stała
  • Gęstość (d) to wartość ilorazu masy (m) i objętości (V). Gęstość oblicza się za pomocą wzoru:

d=mVkgm3

gdzie: m – masa ciała; V – jego objętość.

  • Gęstość podana w kilogramach na metr sześcienny to informacja, jaką masę w kilogramach ma jeden metr sześcienny substancji.

  • Na podstawie pobranej próbki danego materiału i wyznaczenia jego gęstości możemy spróbować określić rodzaj substancji, z jakiej został wykonany ten materiał. Korzystamy wtedy z tabeli gęstości wybranych substancji.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Zamień jednostki i wpisz odpowiednią wartość:
21 mm3=......... dm3
15 m3=......... cm3
36 dm3=......... m3
4 dm3=......... cm3
4,5 cm3=......... dm3

Polecenie 2.2

Zamień jednostki i wpisz odpowiednią wartość:
 4kgm3 = ...... kgdm3
49kgm3 = ...... gdm3
35kgm3 = ...... gm3
67kgm3 = ...... kgcm3

Polecenie 2.3

Staś, Zuzia i Marek rozmawiają o najsilniejszym uczniu w szkole, który jest w stanie podnieść ciało o masie 65 kg. Czy temu uczniowi udałoby mu się podnieść 6‑litrowe naczynie wypełnione rtęcią? Gęstość rtęci wynosi 13 550kgm3.

Polecenie 2.4

Oblicz gęstość ciała, które po zanurzeniu w wodzie wypełniającej częściowo menzurkę zmieniło jej poziom z 52 cm3 do 75 cm3. Przyjmij, że masa ciała wynosiła 50,6 g. Wynik podaj z dokładnością do dwóch cyfr znaczących.

Polecenie 2.5

O ile wzrośnie masa samochodu, gdy pusty zbiornik paliwa o objętości 40 l całkowicie wypełnimy benzyną? Gęstość benzyny odczytaj z tablicy gęstości wybranych cieczy.

Zobacz także

Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:

i7R8RovQRy_d5e678

Słowniczek

masa
masa

– miara ilości substancji; zależy zarówno od materiału, z jakiego zostało wykonane, jak i od wymiarów danego ciała.

objętość
objętość

– wielkość fizyczna, która jest miarą przestrzeni zajmowanej przez dane ciało.

gęstość
gęstość

– wartość ilorazu masy (m) ciała i jego objętości (V).

i7R8RovQRy_d5e751

Zadania

Ćwiczenie 5
R1ZmGicGWqoov1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 6
RknO453Kjqsq91
zadanie interaktywne