VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Высокоточный универсальный прибор для определения плотности жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одной из характеристик любого вещества является его плотность.Плотность жидкости - это масса жидкости в единице ее объема. Единицей измерения плотности тела в системе СИ является кг/м3 (г/см3). Плотность жидкости один из самых основных параметров, характеризующих физические свойства жидкости, поэтому точное измерение величины плотности жидкости очень важно.
Жидкости имеют постоянную плотность при определенной температуре. Измерить плотность жидкости можно несколькими способами. Эти способы основаны на использовании разных физических законах и явлениях и служат их иллюстрацией. Исследование способов измерения плотности жидкости даёт возможность лучше изучить эти физические законы и явления [1]. Данная работа направлена на анализ и исследование вопросов, связанных с определением величины плотности различных жидкостей.
Цель работы:
Самостоятельно разработать и изготовить недорогой универсальный прибор для измерения плотности различных жидкостей с повышенной точностью.
Задачи работы:
- изучить информацию о существующих на сегодня гидростатических способах измерения плотности жидкости и их недостатки;
- предложить новый, более точный и простой способ измерения плотности жидкости;
- предложить конструкцию нового прибора (плотномера), изготовить прибор и провести экспериментальные исследования его работоспособности путем измерения плотности различных жидкостей.
Предмет исследования: плотность жидкости
Методы исследования: Литературный обзор, эксперимент.
.1. Основная часть работы.
Плотность жидкости можно определить по измерению выталкивающей силы, основываясь на законе Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости, рис.1. Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести.
Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна по величине и противоположна по направлению весу вытесненной жидкости[2,5].
Ра = ρgV ,
где Ра— сила Архимеда, ρ — плотность жидкости, V — объем погруженного тела, g — ускорение свободного падения.
Значит, на тело, погруженное в жидкость, всегда действует выталкивающая сила, являющаяся равнодействующей всех сил давления жидкости на поверхность погруженного в нее тела, рис. 1., что позволяет телу плавать. Будет ли тело плавать, а не тонуть, напрямую связано с плотностью жидкости, в которую погружено тело. Для измерения плотности жидкости существует множество приборов - пикнометры, денсиметры, ареометры и другие приборы.
В
практике проведения анализа жидкости на предприятиях, в лабораториях, на учебных занятиях в школах, в институтах плотность жидкости обычно определяют с помощью пикнометра или ареометра. Об.ычно для измерения плотности жидкости чаще применяются ареометры, рис. 2, принцип действия которых основан на величине выталкивания прозрачной колбочки с установленным на дне этой колбочки грузом на некоторую высоту над уровнем исследуемой жидкости, находящейся в сосуде. По шкале ареометра, производится замер плотности исследуемой жидкости, рис..2.
Для выполнения измерений исследуемую жидкость заливают в сосуд и в нее погружают ареометр. В зависимости от плотности жидкости меняется глубина погружения в нее ареометра, что служит основанием выполнения измерений. Плотность жидкости при этом считывается визуально. Ареометры обладают следующими недостатками:
- визуальное считывание информации связано с дополнительной погрешностью измерений, связанные с ошибками оператора, и не отвечает требованиям автоматизации измерений;
- требуется большое количество жидкости для проведения замеров;
- при измерении плотности смачивающих жидкостей дополнительным источником погрешности измерений служит мениск, затрудняющий считывание информации. Как видно из выше сказанного, измерять плотность жидкости рассмотренным способом достаточно трудно, а точность измерений низкая.
С помощью пикнометров получают более точные результаты измерения плотности жидкости, но трудоёмкость на проведение замеров плотности исследуемой жидкости значительно возрастают, что так же является большим недостатком этих приборов.
1.1 Предлагаемый инновационный способ измерения плотности жидкости
С целью исключения указанных выше недостатков существующих приборов для измерения плотности жидкости, предлагается инновационный способ измерения плотности жидкости, предпосылками для разработки которого явились следующие закономерности:
1. На погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила Архимеда, направленная вертикально вверх и равная весу вытесненной телом жидкости, причем величина этой силы не зависит от количества жидкости, в которую погружено тело, то есть для определения величины выталкивающей силы Архимеда достаточно такого объема жидкости, чтобы полностью погруженное в жидкость тело не касалось дна и стенок сосуда;
2. Согласно законам гидростатики, на погруженное в жидкость тело действуют сила тяжести G, выталкивающая сила Архимеда Pa и сила натяжения нити Pн, удерживающая тело от падения на дно сосуда, рис 3;
3. Из третьего закона Ньютона следует, что “всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие”.
Анализ этих закономерностей позволил по- новому взглянуть на методику измерения выталкивающей силы Архимеда. Обычно измеряют выталкивающую силу Архимеда направленную вверх, для чего используют поплавки (ареометры и т.п.), а в нашей работе предложен новый способ измерения выталкивающей силы Архимеда, где измеряется реакция силы Архимеда Rа, направленная вниз противоположно выталкивающей силе Архимеда Ра, рис.3. Известноиз третьего закона Ньютона, что «всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие». Значит Ра = Rа.
Сделав такой вывод, мы стали пробовать измерять силу Архимеда в стаканчике с водой, который был установлен на электронных весах. Результаты были положительные, то есть весы правильно определяли величину выталкивающей силы воды, равную величине объёма тела, подвешенного на тонкой нити и опущенного в воду стаканчика. При разработке предлагаемого плотномера был использован металлический шарик объёмом один см3, предложенный
Осиповым Н.Е., рис.3.
Из рисунка следует, что сила Архимеда Pа действует на погруженное тело и направлена вдоль нити вверх, пытаясь поднять тело вверх на что- то опираясь. Опираться сила Архимеда, как видно из рисунка, может только на дно сосуда через сжимаемую жидкость и, соответственно, на чашу весов, благодаря которым можно измерять истинную величину выталкивающей силы Архимеда не косвенно, а прямым способом и более точно определять массу вытесненной телом жидкости в граммах.
Рис.3 . Схема действующих сил предлагаемого плотномера.
Это значит, что предлагаемый способ позволяет без каких-либо дополнительных приспособлений и устройств непосредственно на весах измерять не саму силу Архимеда Ра, направленную вертикально вверх, а ее реакцию Ra равную по модулю силе Архимеда Ра и направленную в противоположную сторону (вниз), воздействуя на чашу весов.
Следует отметить, что на чашу весов действует также вес сосуда с жидкостью Gж и, соответственно, возникает ответная реакция со стороны чаши весов Rвес, направленная вверх (Rвес = Gж), но при замерах для удобства считывания показаний и исключения лишних вычислений, обе эти силы не учитываются, т.е. включается режим для весов «без учета веса тары». Весы показывают в этом случае истинную величину выталкивающей силы Архимеда Ра, действующую на погруженное в жидкость тело, равную по модулю величине реакции силы Ra, действующей на дно сосуда и, соответственно, на чашу весов.
Пример измерения выталкивающей силы Архимеда показан на рис.4, рис. 5.
1.2. Принцип работы инновационного плотномера
Предлагаемый плотномер, рис.2., рис. 4, включает высокоточные весы 1, легкий, прозрачный (пластиковый, стеклянный) сосуд 2 диаметром 20…25мм. и высотой 35…40мм, наполненный исследуемой жидкостью в объеме 15…20 см3 и установленный на чаше весов 3, а в исследуемую жидкость на тонкой нити без касания стенок и дна сосуда полностью погружен калиброванный шарик 4 объёмом ровно один кубический сантиметр, изготовленный из сплошного коррозиестойкого материала с удельным весом более, чем удельный вес исследуемой жидкой среды.
Схема сил, действующих на чашу весов и на калиброванный шарик дана на рис. 4, откуда видно, что действующие на шарик и на чашу весов силы, описываются следующим уравнением:
Gж + G – Pн – Ра + Rа – Rвес. = 0; (1)
где:
G - вес калиброванного шарика; Pн - сила натяжения нити;
Gж - вес сосуда и исследуемой жидкости; Ра - сила Архимеда;
Rвес - реакция чаши весов; Rа - реакция силы Архимеда .
Учитывая, что при замерах величины Ра включается режим для весов «без учета веса тары» и Gж = Rвес (весы обнуляются), уравнение запишется следующим образом:
G + Rа = Рн + Ра; (2)
или Rа = Рн + Ра – G, где Rа = Ра;
Работа предлагаемого устройства и процесс измерения плотности исследуемой жидкости происходит следующим образом:
В зависимости от заданной (необходимой) точности измерения плотности жидкости выбираются сертифицированные весы (аналитические, технические электронные и т.д. с точностью измерения от 0.01г. до 0.00001г.), рис. 4;
Легкий пластиковый (стеклянный) сосуд диаметром 20…25мм. и высотой 35…40мм, наполненный исследуемой жидкостью объемом 15…20 см3, устанавливается на чащу весов и показания весов обнуляются (положение без учета веса тары), рис. 4;
3. Калиброванный шарик, объем которого равен одному см3 , закрепленный на тонкой нити, полностью погружается в жидкость без возможности соприкосновения его со стенками и дном сосуда, рис.3;
4. После стабилизации показаний весов (1…2сек) производится их запись, которая фиксирует величину реакции выталкивающей силы Архимеда в граммах и, соответственно, измеряется прямым методом без каких-либо промежуточных расчетов плотность исследуемой жидкости в г /см3, так как сила Архимеда равна весу вытесненной шариком жидкости в объеме равном один см3 , рис. 5.
Предлагаемый универсальный плотномер позволяет измерять плотность любой жидкости (жидкой среды) прямым способом непосредственно в г /см3 на высокоточных весах с меньшей затратой времени, с большей точностью, при малом количестве исследуемой жидкости (не более 15 …20 см3 ) и в широком диапазоне температур путем быстрой и легкой замены сосудов с исследуемой жидкостью нагретой до заданной температуры. Точность измерения плотности жидкости находится в прямой зависимости от класса используемых при измерении весов (аналитических, технических, фармацевтических и др.), от класса точности калиброванного шарика объемом ровно один кубический сантиметр и может находиться в пределах от 0,01 г / см3 до 0,00001 г / см3 .Причем необходимость проведения каких - либо тарировок отсутствует независимо от типа исследуемой жидкости (жидкой среды), так как применяемые для измерений заведомо сертифицированные (поверенные) весы показывают истинное (реальное) значение выталкивающей силы любой жидкости (жидкой среды ) непосредственно в граммах (Ньютонах), а объём вытесненной жидкости всегда постоянен и равен объёму калиброванного шарика Осипова в один кубический сантиметр.
Конкретные преимущества и полезность предлагаемого плотномера видны также в том, что у учебных, научно-исследовательских и технологических лабораторий предприятий всех отраслей, отпадает необходимость в приобретения многообразия плотномеров (ареометров, пикнометров, лактометров, спиртометров и т.п.) для различных типов жидкостей. Достаточно иметь в лаборатории аналитические, технические электронные или другие точные весы и калиброванный шарик Осипова объемом ровно один кубический сантиметр.
2. Экспериментальные исследования
Для реализации рассмотренного выше способа измерения плотности жидкости был создан плотномер, включающий электронные весы, легкий пластиковый сосуд ёмкостью 100см3, металлический шарик, объём которого составляет ровно один см3, закрепленный на тонкой нити, рис. 4., рис.5. , рис.6.
Для эксперимента были отобраны следующие жидкости:
Вода;
Молоко;
Спирт;
Электролит автомобильного аккумулятора;
Бензин;
Соленая вода.
Проведенные измерения плотности указанных жидкостей при температуре 200С показали, что вода имеет плотность 0,99 г/см3, молоко -1,03 г/см3, спирт – 0.78 г/см3, Электролит – 1.26 г/см3, бензин – 0,81 г/см3 и соленая вода – 1.06 г/см3. (плотность соленой воды зависит от концентрации раствора).
В эксперименте были использованы электронные весы ACOM, модель JW—1. (Южная Корея). Точность измерения 0,01г., допустимый наибольший вес груза при взвешивании - 200г.
Заключение
Выполненная работа позволяют сделать вывод, что плотность жидкости можно измерить разными способами, в том числе и с использованием нового универсального плотномера, предложенного авторами.
Предлагаемый универсальный плотномер позволяет измерять плотность любой жидкости (жидкой среды) прямым способом непосредственно
в г /см3 на высокоточных весах с меньшей затратой времени, с большей точностью, при малом количестве исследуемой жидкости (не более 15 …20 см3).
Конкретные преимущества и полезность предлагаемого плотномера видны также в том, что в учебных, научно-исследовательских и технологических лабораториях предприятий всех отраслей, отпадает необходимость в приобретения многообразия плотномеров (ареометров, пикнометров, лактометров, спиртометров и т.п.) для различных типов жидкостей. Достаточно иметь в лаборатории аналитические, технические электронные или другие точные весы и калиброванный шарик Осипова объемом ровно один кубический сантиметр.
Для внедрения предлагаемого плотномера достаточно наладить на каком – либо машиностроительном заводе изготовление точного (сертифицированного) шарика объёмом ровно один см3 и продавать их заинтересованным организациям, лабораториям.
Список использованной литературы:
Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, Архимедова сила.;
Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. / Под ред. Е.М. Лейкина.- М.: Мир, 1982.- 520 с;.
Г.С.Ландсберг, (Элементарный учебник физики), т.1, М, 1972 г, стр-356с.
Осипов НЕ.идр.АС№2663551«Универсальный прецизионный плотномер жидких сред»5.
Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда. 4–й Международный научно - практический конкурс,Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». 2018.
Приложение
Рис. 4. Весы обнулены (положение без учета веса тары) и подготовлены к измерению плотности жидкости с использованием шарика Осипова.
Рис. 5. Прямой замер плотности исследуемой жидкости в г /см3. Шарик Осипова погружен на тонкой нити в сосуд с исследуемой жидкостью, плотность которой по показаниям весов равна 1,01г/см3.
Рис.6. Исследование качества молока различных фирм с применением инновационного высокоточного (прецизионного) плотномера.