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第二章 水的密度和压强

Lesson 2/11 | Study Time: 20 Min


水的密度与测量方法




水的密度与测量方法



水的质量与体积的关系



















描述 内容
质量与体积成正比 水的质量和体积成正比,体积为 1cm³ 的水,其质量为 1g。
密度的定义 密度是指单位体积的某种物质的质量,是物质的一种特性。




密度的单位及换算



















单位 换算关系
常用单位 g/cm³ 或 kg/m³
换算关系 1g/cm³ = 1000kg/m³


例子:

  • 水的密度是 1g/cm³,也可以表示为 1000kg/m³。

  • 酒精的密度是 0.8g/cm³,也就是 0.8 × 10³ kg/m³。






常见物质的密度表





































物质 密度 (kg/m³) 物质 密度 (kg/m³)
纯水 1.0 × 10³ 0.9 × 10³
煤油 0.8 × 10³ 干松木 0.5 × 10³
酒精 0.8 × 10³ 8.9 × 10³
水银 13.6 × 10³ 11.3 × 10³


生活小例子:

  • 冰的密度比水小(0.9 × 10³ < 1.0 × 10³),所以冰能浮在水面上。

  • 水银的密度很大(13.6 × 10³),所以铁块放入水银中会浮起来。






测量固体和液体密度的方法



















步骤 描述
测量固体的密度
1. 用天平测量固体的质量。

2. 用量筒测量固体的体积(可通过排水法测量)。

3. 利用密度公式:ρ = m / V 计算密度。
测量液体的密度
1. 用天平测量空容器的质量。

2. 倒入一定体积的液体后,再测总质量。

3. 计算液体质量,并用密度公式求密度。

排水法测量固体体积的步骤:



  • 将固体与铁块一起浸没在量筒中的水里,记录水面上升的总体积。

  • 单独测量铁块排开的水的体积。

  • 总体积减去铁块的体积,即为固体的体积。





密度是物质的特性



















特性 描述
密度的独特性 不同物质的密度不同,因此密度是物质的一种特性。
重要性 密度可以帮助我们区分不同的物质,或判断某物质是否纯净。


例子:

  • 酒精的密度是 0.8 × 10³ kg/m³,这意味着体积为 1cm³ 的酒精,其质量为 0.8g。

  • 铜的密度是 8.9 × 10³ kg/m³,所以同体积的铜比水重得多。






密度公式及应用















公式 描述
密度公式 ρ = m / V,其中:
ρ = 密度(kg/m³ 或 g/cm³)
m = 质量(kg 或 g)
V = 体积(m³ 或 cm³)


应用场景:

  • 判断物体是否会浮在水面上(密度小于水的物体会浮起)。

  • 计算物体的质量或体积。



例子:



  • 计算物体质量:已知一个物体的体积为 2cm³,密度为 8.9g/cm³,则质量为:
    m = ρ × V = 8.9 × 2 = 17.8g。

  • 判断物体是否会沉入水中:如果物体密度 ρ > 1g/cm³,物体会沉入水中;如果 ρ < 1g/cm³,物体会浮在水面上。












密度的知识应用




密度的知识应用



铁球是否空心的判定


问题:一个体积为 40cm³ 的铁球,质量为 156g,已知铁的密度是 7.8 × 10³kg/m³(即 7.8g/cm³)。铁球是空心的还是实心的?若是空心的,空心部分的体积是多少?


解法1:密度比较法


计算铁球的密度:


ρ = m / V = 156g / 40cm³ = 3.9g/cm³


比较铁球的密度和铁的密度:


ρ < ρ(3.9g/cm³ < 7.8g/cm³)


结论:铁球是空心的。



解法2:质量比较法


如果铁球是实心的,其质量应为:


m = ρ × V = 7.8g/cm³ × 40cm³ = 312g


比较实际质量和理论质量:


m < m(156g < 312g)


结论:铁球是空心的。



解法3:体积比较法


如果铁球是实心的,其体积应为:


V = m / ρ = 156g / 7.8g/cm³ = 20cm³


比较实际体积和理论体积:


V > V(40cm³ > 20cm³)


结论:铁球是空心的。



空心部分的体积计算


V空心 = V − V = 40cm³ − 20cm³ = 20cm³





物体的平均密度与沉浮



















问题 解答
改变物体沉浮的方法 当物体的体积一定时,只要增加或减少配重,就能改变物体的平均密度,从而改变物体的沉浮状态。
轮船为何能漂浮 虽然钢铁的密度 ρ钢铁 > ρ,但轮船的总体积很大,内部有大量的空间不是铁,从而降低了平均密度。只要轮船排开的水的重量大于船的重量,轮船就能漂浮。


例子:

  • 潜水艇通过调节内部水舱的水量来改变平均密度,从而实现下潜或上浮。

  • 轮船内部设计有大量空舱,使得平均密度小于水的密度,因此能漂浮在水面上。






混合密度


定义:将两种物质混合后,混合密度可以通过公式计算:


ρ混合 = 总质量 / 总体积


混合密度的特点:



  • 混合密度介于两种物质密度之间:ρ最小 < ρ混合 < ρ最大

  • 当两种物质等体积混合时,混合密度为两种密度的平均值:ρ混合 = (ρ1 + ρ2) / 2



例子1:两种物质混合密度计算

已知水的密度为 1g/cm³,酒精的密度为 0.8g/cm³,将等体积的水和酒精混合,混合密度为:

ρ混合 = (ρ + ρ酒精) / 2 = (1 + 0.8) / 2 = 0.9g/cm³


例子2:非等体积混合

若将 100g 的水(密度 1g/cm³)与 50g 的酒精(密度 0.8g/cm³)混合,混合密度为:

总质量:m = 100g + 50g = 150g

总体积:V = 100cm³ + 62.5cm³ = 162.5cm³

混合密度:ρ混合 = m / V = 150g / 162.5cm³ ≈ 0.92g/cm³











密度与浮沉




密度与浮沉



物体的浮沉条件



























物体状态 条件 现象描述
沉体 ρ物体 > ρ液体 物体沉入液体,液面上升的体积 = 物体的体积。
悬浮体 ρ物体 = ρ液体 物体能停留在液体中的任意位置,既不上浮也不下沉。
浮体 ρ物体 < ρ液体 物体浮于液面,液面上升的体积 = 浮体在液面下的体积。




浮力的概念与计算



















浮力的定义 描述
浮力 物体在液体中时,液体对物体产生一个向上的作用力,这个作用力称为浮力。
浮力方向 浮力的方向与重力方向相反,因此物体在液体中称起来会显得较轻。

浮力的计算公式


数学表达式:


B = ρ × V × g



  • B:浮力(单位:牛顿,N)

  • ρ:液体密度(单位:kg/m³)

  • V:物体排开液体的体积(单位:m³)

  • g:重力加速度(单位:9.8 N/kg)


另一种表达方式:


B = W空气中 − W液体中





物体在水中的浮沉现象



























状态 条件 现象
浮在水面 ρ物体 < ρ 物体部分浸入水中,液面上升的体积等于物体浸入液面下的体积。
悬浮在水中 ρ物体 = ρ 物体可以停留在水中的任意位置,既不上浮也不下沉。
沉入水底 ρ物体 > ρ 物体完全沉入水底,液面上升的体积等于物体的体积。


例子:

  • 人浮在死海上:死海的盐分高,水的密度大于人的平均密度,因此人可以轻松地浮在死海上。

  • 气球飘在空中:气球的平均密度小于空气的密度,因此气球会浮在空气中。






阿基米德原理



















原理 描述
阿基米德原理 物体在液体中受到的浮力,等于物体排开液体的重量。
浮力与减轻的重量 物体在液体中减轻的重量,等于它受到的浮力,也等于物体排开液体的重量。


例子:

  • 皇冠比重实验:阿基米德通过测量皇冠在水中受到的浮力,计算出皇冠的密度,验证其是否为纯金。






浮力的应用























应用场景 原理
热气球和天灯 利用空气的浮力升空,热气球通过加热空气降低平均密度,从而上升。
潜水艇 通过调节海水的进出改变潜水艇的平均密度,从而控制潜水艇的浮沉状态。
鱼类的浮鳔 鱼类通过调节体内浮鳔的气体含量,改变平均密度,从而控制浮沉。











水的密度反常变化




水的密度反常变化



水的密度反常变化























温度范围 变化特性
4℃以上 水的体积随温度升高而增大,密度随温度升高而减小,与一般物质的性质一致。
4℃以下至0℃ 水的体积随温度降低而反常膨胀,密度随温度降低而减小。
4℃时 水的体积最小,密度最大(约为 1g/cm³)。




水的反常变化对自然环境的影响
































现象 原因 影响
冬季水管胀裂 温度降低至0℃以下时,水结冰膨胀,体积变大,导致水管破裂。 需要采取防冻措施,如保温水管或排空水管内的水。
湖水从表面开始结冰 水的密度反常变化导致温度较低的水(0℃)浮在表面,而密度较大的水(4℃)下沉。 冰层隔绝冷空气,使湖底水温维持在4℃左右,保护水中生物的生存环境。
机械风化作用 岩石缝隙中的水结冰膨胀,导致岩石开裂;冰融化后,水渗入更深的缝隙,反复作用加剧岩石破裂。 形成地表裂缝、洞坑,长期作用下促进地貌的变化。
道路开裂 冬季路面裂缝中的水结冰膨胀,导致路面开裂;冰融化后水进入更深的裂缝,反复作用形成坑洞。 需要定期修补道路,尤其在寒冷地区。




水的密度反常变化的生态意义























现象 生态意义
湖泊冰层保护作用 冬季湖泊表面结冰,冰层隔绝冷空气,湖底水温维持在4℃左右,水中生物得以存活。
水体循环 由于密度变化,湖泊在春季和秋季会发生水体上下循环(春秋翻转),有助于营养物质的分布和水体生态平衡。
生物适应性 水的反常变化为水生生物提供了稳定的生存环境,使其能够适应寒冷的冬季。




水的反常变化对人类生活的影响



























现象 具体表现 解决方法
水管破裂 冬季水管中的水结冰膨胀,导致水管破裂。 在寒冷地区为水管加装保温材料,或在极寒天气前排空水管中的水。
道路损坏 路面裂缝中的水结冰膨胀,导致道路开裂或形成坑洞。 定期修补路面裂缝,使用耐寒材料铺设道路。
建筑物损坏 建筑物基础中的水结冰膨胀,导致裂缝扩大或结构损坏。 加强建筑物基础的防水设计,避免水渗入裂缝中。




阿基米德原理与水的反常变化结合


湖泊结冰现象:



  • 根据阿基米德原理,水密度的变化决定了不同温度的水在湖泊中的位置。

  • 0℃的水:密度较小,浮在湖面上形成冰层。

  • 4℃的水:密度最大,下沉至湖底,维持湖底的温度稳定。


生态保护:冰层和4℃的水共同作用,为湖泊中的生物提供了一个相对稳定的环境,避免了极寒天气对生物的直接影响。





机械风化作用的过程



























步骤 描述
水渗入岩缝 地表降水渗入岩石的裂缝和岩层之间。
水结冰膨胀 温度下降至0℃以下时,水结冰膨胀,体积增大,对岩石产生巨大的压力。
岩石开裂 反复的冰冻融化作用使岩石裂缝逐渐扩大,最终导致岩石破裂。
地表变化 长期的机械风化作用会形成裂缝、洞坑,甚至改变地貌形态。











液体压强与应用



液体压强与应用




水压的产生原因



















原因 描述
重力作用 容器内液体因重力作用,下层液体受到上层液体重量的挤压。
流动性 液体容易流动变形,因此液体内部任何一点和容器接触的部分均受到液体压力。




液体压强公式















公式 描述
P = ρgh 液体压强 = 液面下的液体深度 × 液体密度 × 重力加速度(g = 9.8 m/s²)。


参数说明:

  • P:液体压强(单位:帕斯卡,Pa)。

  • ρ:液体密度(单位:kg/m³)。

  • h:液面下深度(单位:m)。






液体压强的特性



































特性 描述
各方向压强相等 静止液体内的任何一点,各方向的压强相等,且压力没有方向性。
同一水平面压强相等 液体内部同一水平面上的各点压强相等。
深度越大,压强越大 液体深度越大,压强越大。
与密度有关 在相同深度下,液体密度越大,压强越大。
界面压力垂直向外 静止液体界面处的压力垂直于界面,方向向外。
对容器的全面挤压 液体对容器的侧面、底面和上面均有压力,形成全面挤压。




液体压强的应用























应用场景 原理
压强计 金属盒受到液体压强越大,U形管中液体的高度差越大。同一液体中,同一深度各方向压强相等。
连通器 上端开口、下部相连通的容器,液体不流动时液面总保持相平。应用于茶壶、锅炉水位计、船闸等。
水压机 根据帕斯卡原理,密闭容器内的液体压力均匀传递。应用于汽车千斤顶、油压车门活塞、油压起重机等。