Определение плотности твердого тела

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение плотности твёрдого тела

Краткая теория

Изучение нониусов

Нониусом называется дополнение к обычному масштабу {линейному или круговому), позволяющее повысить точность измерения с данным масштабом в 10--20 раз.

В ряде случаев требуемая относительная точность измерения длины бывает такова, что можно удовлетвориться абсолютной точностью в сотые или даже в десятые доли миллиметра, а для углов -- минутами или долями минут. В этом случае можно для измерения пользоваться обычными масштабными линейками и угломерами, снабженными нониусами. Примерами таких приборов являются штангенциркуль, буссоль, кипрегель.

Измерение микрометром

Описание микрометра. Микрометр (рис. 1) имеет вид тисков, в которых измеряемый объект зажимается с помощью винта. Ход винта обыкновенно бывает равен 1 мм или 0,5 мм. На стержне винта А укреплен барабан С с нанесенной на нем шкалой, имеющей 50 или 25 делений. При зажатом винте нуль барабана стоит против нуля линейной шкалы D. Измеряемый предмет помещают между винтом и противоположным ему упором, затем, вращая винт за головку В, доводит его до соприкосновения с предметом. По линейной шкале отсчитывают миллиметры, а по шкале барабана -- сотые доли миллиметра.

Главным источником ошибок является неравномерность нажатия винта на измеряемый предмет. Для устранения этого недостатка современные микрометры снабжаются специальным приспособлением, не допускающим слишком сильного нажатия.

Действие подобных приспособлений основано на трении, возникающем между стержнем винта А и рукояткой В, поворачивающей винт.

Метод измерения. Прежде чем пользоваться микрометром, необходимо убедиться, что микрометр исправен -- нули его шкал совпадают.

Измеряемый образец помещают между винтом и противоположным упором и вращением барабана С подводят торец винта к плоскости пластинки. Окончательное нажатие винтом на пластинку следует делать только рукояткой В.

Момент нажатия фиксируется слабым треском. После этого треска дальнейшее вращение рукоятки В бесполезно, а барабана С недопустимо. Производят отсчет по шкалам: миллиметры по линейной шкале, доли миллиметра по шкале на барабане.

Рис. 1а

Пример измерения при помощи микрометра.

Рис. 1б

При измерении высоты h образца при помощи микрометра получаем результаты как на рисунке 1б. Для определения результата (целого значения) измерения необходимо в первую очередь обратить внимание на правую часть основной шкалы, если крайним в правой части является одно из её делений. В нашем случае с правой стороны, как видно из рисунка 1б, целым значением является 22 мм.

Для определения сотой доли миллиметров необходимо обратить внимание на деление, расположенное на барабане, которое совпадает с осью основной шкалы - в нашем случае это 0,35 мм. Таким образом высота h измеряемого образца будет равна 22,35 мм.

Рис 1в

Рассмотрим рис.1в. Здесь для определения результата измерения необходимо пользоваться дополнительной шкалой, так как одно из делений является крайним в правой части. Суммарным результатом основной шкалы и дополнительной является - 23,5 мм. Согласно показаниям шкалы на барабане к 23,5 мм добавляем 0,35 мм, получаем общий результат измерения высоты h, равный 23,85 мм.

Измерения при помощи штангенциркуля

Описание прибора. Штангенциркуль (рис. 2) состоит из разделенного на миллиметры масштаба LM, вдоль которого может перемещаться перпендикулярная к его длине ножка СВ с зажимным винтом С, служащим для ее закрепления; в ее обойме против делений масштаба сделан вырез, на скошенном краю которого, прилегающем к масштабу, нанесен нониус; когда ножки сдвинуты вплотную, то нуль нониуса совпадает с нулем масштаба. Неподвижная ножка LA, укрепленная в начале масштаба также перпендикулярно его длине, служит упором для измеряемого тела. Части FF обеих ножек служат для измерения внутренних размеров тел.

Метод измерения. Для определения объема образца необходимо определить его геометрические размеры -- длину и диаметр. Для определения плотности необходимо, кроме объема, определить ее массу.

Определение объема. Измерение длины производят следующим образом. Раздвинув достаточно ножки штангенциркуля, помещают между ними продольно образец вблизи шкалы, ножку В подводят так, чтобы образец был слегка зажата, и производят отсчет. Так как ножка В, а следовательно, и нуль нониуса переместились на длину образца, то отсчитывают по масштабу целое число миллиметров до нуля нониуса и смотрят, какое деление нониуса совпадает с некоторым делением масштаба. Измерение повторяют несколько раз. Из всех полученных результатов берут среднее арифметическое.

Далее производят измерение диаметра. Измеряют 3-5 раз, слегка зажимая образец между ножками штангенциркуля и держа его при этом перпендикулярно к длине масштаба. Из всех результатов берут среднее.

Из результатов измерений по элементарным геометрическим формулам вычисляют объем, измеряемого образца.

Определение плотности. Взвешивая образец с точностью до 0,1 г, находят его массу и, зная его объем, вычисляют плотность при помощи элементарных физических формул.

Рис. 2

Пример измерения при помощи штангенциркуля.

Рис. 2а

При измерении высоты h образца с помощью штангенциркуля в первую очередь необходимо обратить внимание на основную шкалу. Из рисунка 2б видно, что величина h находится в пределах между 22 и 23 мм(там находится начальное деление нониуса).Точное определение этой величины даёт нониусная шкала. Деление совпадающее с делением на основной шкале будет являться десятой долей мм (в нашем случае наиболее совпадает четвёртое деление), т.е измеряемая величина L равна 22,4 мм.

Весы для измерения массы образца

Описание весов. Речь идет о точных аналитических весах, т. е. о таких, которые употребляются при химических анализах. Такие весы заключены в ящик (с подъемными стеклянными станками для доступа большого количества света), предохраняющий их от пыли и воздушных токов (рис. 3).

Весы состоят из равноплечего рычага ВВ, называемого коромыслом, опорою которого служит ребро стальной закаленной призмы а, вставленной в середину коромысла перпендикулярно к его плоскости. Ребро призмы опирается на агатовую полированную пластинку (подушку), укрепленную наверху колонки А. На концах коромысла, на разных расстояниях от средней призмы, имеются приспособления для подвешивания чашек СС, обыкновенно -- призмы bb. Ребра средних и крайних призм должны быть параллельны между собой. Если на чашках нет грузов, то коромысло должно устанавливаться горизонтально или почти горизонтально. Для определения положения коромысла служит длинная стрелка J, прикрепленная к его середине перпендикулярно к линии, соединяющей две крайние призмы. Конец стрелки движется перед шкалой S, находящейся у основания колонки. При горизонтальном положении коромысла стрелка должна указывать на среднее деление шкалы.

Рис. 3

Основной величиной, характеризующей весы, является их чувствительность. Чувствительностью весов называется отношение тангенса угла отклонения стрелки к весу того добавочного перегрузка р, который, вызывает это отклонение, или пропорциональное этой величине отношение числа делений, на которые перемещается стрелка по шкале S, к тому же добавочному перегрузку р (обыкновенно р = 1мг); выражается она формулой

щ=Lcosб/(2P+p)Lsinб+Kh,

где L -- длина плеч коромысла,

К -- его вес,

h -- расстояние центра тяжести коромысла от нижнего ребра средней призмы,

Р -- нагрузка весов,

б -- угол прогиба для прямолинейного рычага.

Из формулы видно, что чувствительность вообще зависит от нагрузки, но если ребра всех трех призм коромысла лежат в одной плоскости и прогибом плеч можно пренебречь, то чувствительность щ будет постоянна и выразится формулой:

щ=L/Kh

В готовых весах мы можем изменять только величину h, т. е. перемещать центр тяжести коромысла кверху или книзу и изменять таким образом чувствительность весов. Это достигается особыми приспособлениями, различными на различных весах, состоящими обычно из грузиков, перемещающихся в вертикальном направлении.

Чтобы не употреблять при взвешивании разновесок меньше 1 сГ, представляющих большое неудобство по своей малости, пользуются так называемым рейтером, т. е. подвижным грузом, согнутым в виде крючка, вес которого равен 1 сГ. Рейтер насаживается верхом на одно из плеч коромысла, разделенное на равные части. Обыкновенно каждое плечо коромысла разделено на десять равных частей. Если рейтер помещен на первое, второе, третье и т. д. деления плеча коромысла, считая от средней призмы, то его действие равносильно действию положенного на чашку груза в 1, 2, 3 и т. д. миллиграммов. Накладывание и снимание рейтера производятся при закрытых дверцах посредством особого приспособления. Оно состоит из латунного стержня Т (рис. 3), проходящего сквозь боковую стенку ящика весов и перемещающегося параллельно коромыслу. Стержень может вращаться около своей оси; на внешнем конце он снабжен головкой М, а на внутреннем -- боковым рычажком Р с выступающим штифтом; этот последний вводится в ушко (петлю) рейтера и подхватывает его.

Когда весы не находятся в работе, их необходимо арретировать; это производится действием особого приспособления внутри колонки весов, при помощи которого коромысло и чашки несколько приподнимаются кверху, вследствие чего их призмы освобождаются от давления на плоскость опоры и неизбежного при этом напрасного изнашивания. Устройство арретиров у разных весов бывает различно. Обыкновенно арретирование и освобождение коромысла производятся посредством головки V, помещающейся в нижней части весов, вращением ее в ту или иную сторону.

Каждые весы рассчитаны на определенную предельную нагрузку, которая обыкновенно указывается на самих весах и переходить которую ни в коем случае не следует во избежание опасных для весов прогибов их коромысла. Соответственно этому при каждых весах прилагается деревянный футляр с полным набором необходимых разновесок до определенной величины.

Установка весов. Колонка весов должна быть установлена вертикально. Это проверяется по отвесу, помещенному позади колонки; нить отвеса должна находиться точно в центре маленького кольца, через которое она проходит. Добиваются этого соответствующим вращением установочных винтов К (рис. 3). Если колонка весов установлена вертикально, то конец стрелки J коромысла при ненагруженных и освобожденных весах должен указывать приблизительно на среднее деление шкалы S. Если это не наблюдается, т. е. если конец стрелки J коромысла отклоняется больше, чем на 2--3 деления от среднего, то весы можно исправить, вращая в ту или другую сторону небольшие латунные грузы на концах коромысла ВВ; эта операция требует большой осторожности и навыка.

При большом числе взвешиваний сказываются недостатки обычных (описанных выше) аналитических весов, а именно длительность взвешивания и утомляемость глаз работающего.

Для уменьшения времени движения коромысла весы снабжаются успокоителем -- демпфером. Он состоит из двух пар легких металлических стаканов, два из которых укреплены неподвижно на колонке весов, два подвешены к коромыслу. При движении коромысла стаканы, прикрепленные к нему, движутся внутри неподвижных стаканов. Сжатие воздуха в стаканах создает дополнительное усилие, приводящее к уменьшению времени движения коромысла.

Измерение массы образца. Необходимо поместить на одну чашу весов образец, а на другую разновесы. Для максимально точного измерения массы образца нужно уравновесить чаши весов, затем просуммировать массы разновесов (на противоположной чаше весов от образца) - это и будет масса образца.

весы нониус микрометр штангенциркуль

Список литературы

1. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшая школа.

2. Физический практикум (Механика и молекулярная физика.) / Под ред. В.И. Ивероновой.

3. Описание лабораторных работ по физике. Измерительный практикум. Новосибирск: изд-во НГУ, 1999.

Размещено на Allbest.ru