物質の密度・質量・体積を計算し、材料ごとの密度を確認できます。
| 材料 | 密度 |
|---|---|
| 水 | 1.00 g/cm³ |
| 鉄 | 7.87 g/cm³ |
| アルミニウム | 2.70 g/cm³ |
| 銅 | 8.96 g/cm³ |
| 金 | 19.32 g/cm³ |
密度(Density、ρ)は単位体積あたりの質量を表す物理量で、物質固有の特性です。公式は 密度(ρ) = 質量(m) ÷ 体積(V) です。単位には g/cm³、kg/m³、g/mL などが用いられます。水の密度は 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ で、密度計算の基準となります。密度が高いということは、同じ体積により多くの質量が含まれていることを意味します。例えば鉄の密度は 7.87 g/cm³ で水の約8倍重く、アルミニウムは 2.70 g/cm³ で鉄より軽いです。金の密度は 19.32 g/cm³ と非常に高く、同じ体積の水の約19倍の重さになります。
密度を計算するには、質量と体積のうち2つの値が必要です。例1(密度を求める):質量500g、体積200cm³の物体の密度は ρ = 500 ÷ 200 = 2.5 g/cm³ でアルミニウムと近い値です。例2(質量を求める):密度7.87 g/cm³(鉄)、体積100cm³の物体の質量は m = ρ × V = 787g。例3(体積を求める):密度19.32 g/cm³(金)、質量1000gの金の体積は V = m ÷ ρ = 51.76cm³。例4(実生活への応用):1L(1000cm³)に水銀(密度13.6 g/cm³)を満たすと、質量は 13,600g = 13.6kg になります。
一般金属:アルミニウム 2.70 g/cm³、鉄 7.87 g/cm³、銅 8.96 g/cm³、亜鉛 7.14 g/cm³、鉛 11.34 g/cm³。貴金属:金 19.32 g/cm³、白金 21.45 g/cm³、銀 10.49 g/cm³。合金:ステンレス鋼 7.9~8.0 g/cm³、真鍮 8.4~8.7 g/cm³、青銅 8.8~9.0 g/cm³。非金属:水 1.0 g/cm³、氷 0.92 g/cm³(水より軽く浮く)、ガラス 2.5 g/cm³、コンクリート 2.3~2.4 g/cm³、木材(松)0.5~0.6 g/cm³、コルク 0.24 g/cm³。液体:エタノール 0.79 g/cm³、オリーブオイル 0.92 g/cm³、牛乳 1.03 g/cm³、水銀 13.6 g/cm³。
アルキメデスの原理によれば、物体が流体から受ける浮力は、物体が押しのけた流体の重さに等しくなります。水(密度1 g/cm³)に物体を入れたとき、物体の密度が 1 g/cm³ より小さければ浮き、大きければ沈みます。木材(0.5~0.6 g/cm³)は水に浮きますが、鉄(7.87 g/cm³)は沈みます。鉄でできた船が浮くのは、内部の空間により船全体の平均密度が水より低くなるためです。潜水艦はバラストタンクに水を入れたり抜いたりして平均密度を調節します。風船は内部の気体(ヘリウム、水素)が空気より軽いため浮きます。
1. 直接測定法:電子天秤で質量を測り、メスシリンダーに水を入れて体積の変化を測定します。不規則な形状の物体には水置換法を用います。2. 比重瓶(ピクノメーター):精密な体積の瓶に液体を満たして質量を測り密度を計算する、実験室の標準的な方法です。3. 浮ひょう(ハイドロメーター):液体に浮かべて目盛りを読み密度を測定し、バッテリー電解液や牛乳の濃度測定に使われます。4. デジタル密度計:振動管の原理により 0.0001 g/cm³ の精度で測定できます。5. アルキメデス法:空気中の重さと水中の重さの差から体積を計算し、密度を求めます。
材料選択:航空機は軽量なアルミニウム合金(2.7 g/cm³)、自動車は鉄鋼(7.9 g/cm³)とプラスチック(1.0~1.5 g/cm³)の組み合わせを使用します。電気自動車は軽量化のために炭素繊維複合材(1.5~1.6 g/cm³)を使用します。品質検査:金の純度検査では密度により偽造の有無を判別します。医療:骨密度測定(骨密度検査)により骨粗しょう症を診断します。建設:コンクリート密度(2.3 g/cm³)で品質を管理します。食品:牛乳の密度(1.03 g/cm³)で水の混入の有無を検査します。環境:油(0.8~0.9 g/cm³)は水より軽く、海上流出時に水面に浮くため、オイルフェンスで回収できます。