Версия 14:50, 18 декабря 2012

Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 7 клас. Повні уроки; Фізика: Густина речовини. Кристалічні та аморфні тіла. Залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури.Контрольна робота-1. Повні уроки.

Тема

• Густина речовини. Кристалічні та аморфні тіла. Залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури.Контрольна робота-1

Мета

• Ознайомитися з  поняттям "Густина речовини","Кристалічні та аморфні тіла".
• Визначити , як змінються лінійні розміри твердих тіл при зміні температури.

Хід уроку

Густина речовини

Для знайомства з новою фізичною величиною відправимося в ливарний цех заводу з вагами й лінійкою. Виберемо трохи різних по величині чавунних й алюмінієвих злитків прямокутної форми. Використовуючи ваги, виміряємо масу кожного злитка, а використовуючи лінійку, виміряємо їхні об'єми. Результати вимірів занесемо в таблицю.

Помітимо, що при діленні маси кожного злитка на його об'єм виходять однакові значення частки для всіх чавунних злитків (≈ 7 кг/дм³) і для всіх алюмінієвих (≈ 3 кг/дм³). Тобто, незалежно від конкретних значень маси й об'єму їхня частка (результат ділення) залишається постійною величиною для даної речовини. Ця дивна закономірність і послужила приводом для введення у фізику спеціальної величини -густини речовини.

Отже, частка від ділення маси речовини на його об'єм у фізиці називається густиною речовини. Це - визначення щільності. Його можна записати й у вигляді формули:

Файл:Den 7 14 3.gif

p  - густина, кг/м³
 m – маса тіла, кг
 V – об'єм тіла, м²

Густина речовини це значення дробу. Тому числове значення густини речовини показує масу одиниці об'єму цієї речовини. Наприклад, густина чавуну 7 кг/дм³. Це значить, що 1 дм³ чавуну має масу 7 кг. Густина прісної води – 1 кг/л. Отже, маса 1 л води дорівнює 1 кг.

Тіла виготовлені з різних речовин, при однакових об'ємах, мають різні маси, як показано на малюнку

Файл:Den 7 14 1.gif

Густина речовини залежить як від маси складових його молекул, так і від об'єму, як показано на малюнку

Файл:Den 7 14 2.gif

На відео можна побачити як відрізняються між собою маси тіл при різній густині

Кристалічні й аморфні тіла

По своїх фізичних властивостях і молекулярній структурі тверді тіла розділяються на два класи - аморфні й кристалічні.

Кристалічний стан характеризується наявністю чітко виділюваних природних граней, що утворять між собою певні кути. Прикладами речовин у кристалічному стані можуть служити сіль, цукровий пісок, сода й ін.

Якщо весь шматок речовини являє собою один кристал, то таке тіло називається монокристалом або просто кристалом. В інших випадках тіло являє собою безліч дрібних кристаликів, що вигадливо зрослися між собою, наприклад, шматок рафінаду. Такі тіла називають полікристалічними.

Наявність природних граней у монокристалів веде до чітко вираженого розходження у фізичних властивостях тіла по різних напрямках. Це може ставитися до механічної міцності, тепло- і електропровідності, пружності й т.д. Але не завжди всі властивості залежать від напрямку - кубічний кристал міді має однакову електропровідність в усіх напрямках, але різною пружністю.

У полікристалах прийнято говорити про середні значення фізичних величин, оскільки уздовж будь-якого обраного напрямку найдуться окремі кристали, як завгодно орієнтовані усередині тіла.

Другий вид твердого стану твердих тіл - аморфний стан. У цьому стані неможливо виявити навіть малі області, у яких спостерігалася б залежність фізичних властивостей від напрямку. Деякі речовини можуть перебувати в кожному із цих двох станів.

Наприклад, якщо розплавити кристалічний кварц (температура плавлення близько 1700° С), те при охолодженні він утворить плавлений кварц із іншими фізичними властивостями, однаковими в усіх напрямках. Аморфний стан - нестійкий стан твердих тел. Будучи надані самі собі, вони прагнуть згодом перейти в кристалічну форму, хоча цей процес може займати роки й навіть десятиліття.

Приклади кристалічних тіл наведені на малюнку:

Ознакою аморфного тіла є неправильна форма поверхні при зламі. До аморфних тіл ставляться смола, вар, пластмаса, віск і т.п.

Приклади аморфних тіл наведені на малюнку:

Один із цікавих аморфних тіл є звичайне скло. Під час війни в Ленінграді вчені зібрали осколки шибок, ще петровских часів. Провели виміри й виявили, що товщина в нижній частині скла була більше, ніж у верхній. Т.ч. протягом століть стекло продовжувало текти.

Залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури

Переважна більшість речовин при нагріванні розширюється. Це легко пояснено з позиції механічної теорії теплоти, оскільки при нагріванні молекули або атоми речовини починають рухатися швидше. У твердих тілах атоми починають із більшою амплітудою коливатися навколо свого середнього положення в кристалічних ґратах, і їм потрібно більше вільного простору. У результаті тіло розширюється. Так само й рідини й гази, по більшій частині, розширюються з підвищенням температури через збільшення швидкості теплового руху вільних молекул.

Основний закон теплового розширення говорить, що тіло з лінійним розміром L у відповідному вимірі при збільшенні його температури на ΔТ розширюється на величину ΔL, рівну:
  ΔL = αLΔT
де α — так званий коефіцієнт лінійного теплового розширення. Аналогічні формули є для розрахунку зміни площі й обсягу тіла. У наведеному найпростішому випадку, коли коефіцієнт теплового розширення не залежить ні від температури, ні від напрямку розширення, речовина буде рівномірно розширюватися в усіх напрямках у строгій відповідності з вищенаведеною формулою.

Контролюючий блок №1

На питання: “Якої довжини Жовтнева залізниця?” - хтось відповів:

— Шістсот сорок кілометрів у середньому; улітку метрів на триста довше, ніж узимку.

Несподівана відповідь цей не так безглузда, як може здатися. Якщо довжиною залізниці називати довжину суцільного рейкового шляху, то він і справді повинен бути влітку довше, ніж узимку. Не забудемо, що від нагрівання рейки подовжуються — на кожен градус Цельсия більш ніж на одну 100000-ю своєї довжини. У пекучі літні дні температура рейки може доходити до 30 — 40° і вище; іноді рейка нагрівається сонцем так сильно, що обпікає руку. У зимові морози рейки прохолоджуються до — 25° і нижче. Якщо зупинитися на різниці в 55° між літньою й зимовою температурою, те, помноживши загальну довжину шляху 640 км на 0,00001 і на 55, одержимо близько 1/3 км. Виходить, що й справді рейковий шлях між Москвою й Ленінградом улітку на третину кілометра, тобто приблизно метрів на триста, довше, ніж узимку.

Зміняється тут, звичайно, не довжина дорогі, а тільки сума довжин всіх рейок. Це не те саме, тому що рейки залізничної колії не примикають друг до друга впритул: між їхніми стиками залишаються невеликі проміжки — запас для вільного подовження рейок при нагріванні [Зазор цей, при довжині рейок 8 м, повинен мати при 0° розмір 6 мм. Для повного закриття такого зазору потрібно підвищення температури рейки до 65 °С. При укладанні трамвайних рейок не можна, по технічних умовах, залишати зазорів. Эго звичайно не викликає скривлення рейок, тому що внаслідок занурення їх у ґрунт температурні коливання не так великі, та й самий спосіб скріплення рейок перешкоджає бічному їхньому скривленню.]. Наше обчислення показує, що сума довжин всіх рейок збільшується за рахунок загальної довжини цих порожніх проміжків; загальне подовження в літні пекучі дні досягає 300 м у порівнянні з величиною її в сильний мороз. Отже, залізна частина Жовтневої дороги дійсно влітку на 300 м довше, ніж узимку.

Файл:Den 7 14 4.gif

Те ж трапляється іноді й з рейками залізничної колії. Справа в тому, що на ухилах рухомий склад поїзда при русі захоплює рейки за собою (інший раз навіть разом зі шпалами), у підсумку на таких ділянках шляху зазори нерідко зникають, і рейки прилягають друг до друга кінцями впритул.

Безкарне розкрадання

На лінії Ленінград - Москва щозими пропадає зовсім безвісти кілька сотень метрів дорогою телефонного й телеграфного дроту, і ніхто цим не стурбований, хоча винуватець зникнення добре відомий. Звичайно, і ви знаєте його: викрадач цей - мороз. Те, що ми говорили про рейки, цілком застосовно й до проводів, з тією лише різницею, що мідний телефонний дріт подовжується від теплоти в 1,5 рази більше, ніж сталь. Але тут уже немає ніяких порожніх проміжків, і тому ми без усяких застережень можемо затверджувати, що телефонна лінія Ленінград - Москва взимку метрів на 500 коротше, ніж улітку. Мороз безкарно щозими викрадає ледве не півкилометра дроту, не вносячись, втім, ніякого розладу в роботу телефону або телеграфу й акуратно повертаючи викрадене при настанні теплого часу.

Для інженерів теплове розширення — життєво важливе явище. Проектуючи сталевий міст через ріку в місті з континентальним кліматом, не можна не враховувати можливого перепаду температур у межах від —40°C до +40°C протягом року. Такі перепади викличуть зміну загальної довжини моста аж до декількох метрів, і, щоб міст не горбився влітку й не випробовував потужних навантажень на розрив узимку, проектувальники становлять міст із окремих секцій, з'єднуючи їх спеціальними термічними буферними зчленуваннями які щільно замикаються в жару й досить широко розходяться в холоднечу. На довгому мосту може налічуватися досить багато таких буферів.

Для трубопроводів передбачають спеціальні компенсатори, які компенсують зміна довгі окремих ділянок трубопроводу.

Контрольна робота 1

1. Назви вимірювальні прилади, зображені на малюнках. Для виміру яких величин вони призначені?

Файл:Den 7 14 9.gif

2. Чи однаковий час показують годинники на малюнку?

Файл:Den 7 14 10.gif

3. Використовуючи малюнок, відповідай: при користуванні якими годинниками - цифровими або шкальними - легше припуститися помилки? Узагальни свій вивід не тільки на годинники, але й на інші відомі тобі цифрові й шкальні прилади.

4. Згадай зовнішній вигляд наступних вимірювальних приладів: секундомір, лічильник електроенергії, спідометр автомобіля, лічильник пройдених кілометрів на ньому, лінійка, покажчик частоти прийнятої станції на радіоприймачі, термометр, індикатор часу перегляду касети на відеомагнітофоні. Підкресли цифрові прилади червоними кольорами, а шкальні - синім.

Файл:Den 7 14 11.gif

5. Знайди помилки на малюнках цих мензурок.

Густина олова 7300 кг/м³. Це значить, що …

а) Олово масою 7300 кг займає об'єм 7300 м³.

б) В об'ємі 1 м³ утримується олово масою 7300 кг.

в) Олово масою 1 кг займає об'єм 7300 м³.

г) В об'ємі 0,5 м³ утримується 730 кг олова.

6.Визначите вагу кулі масою 5 кг.

7.Чому притягання між людиною й Землею помітно, а тим часом же людиною й будинком - немає?

8. Експериментальний і теоретичний методи.

Вказівка. Нижче наведені тексти завдань, кожну з яких можна вирішити й теоретично, і експериментально. Вирішите кожне завдання спочатку шляхом міркувань, а потім перевірте отриманий вами вивід, проробивши описаний у завданні досвід.

8.1. В акваріумі з водою плаває склянка. Чи зміниться висота рівня води в акваріумі, якщо склянка утопити?

8.2. Склянка зі шматком пластиліну усередині плаває на воді. Чи зміниться глибина його занурення, якщо пластилін вийняти й приклеїти до дна склянки?

8.3. У мензурці з водою плаває шматок льоду. Чи зміниться висота рівня води, коли лід стане?

8.4. На вагах урівноважені скляна й пластмасова пляшки, частково заповнені водою. Чи порушиться рівновага, якщо ваги акуратно опустити в акваріум з водою?

8.5. На чашах равноплечих ваг знаходяться дві однакових склянки, до краю наповнені водою. В одній з них плаває дерев'яний брусок. У чи рівновазі ваги ?

8.6. У прямокутному акваріумі з водою плаває тіло. Визначите масу цього тіла, користуючись тільки лінійкою.

Список використаних джерел

1. Янчук В. Довідник школяра: 5-11 кл., 2002, Київ

2. Коршак Є. В., Ляшенко О. І., Савченко В.Ф. Фізика 7 клас: Підруч. для для загальноосвітніх навч. закл. - Ірпінь: Перун, 2002.

3. Гончаренко С.У. Фізика: Основні закони і формули., 2006, Либідь.

4. Вакуленко М. О. Російсько-український словник фізичної термінології / За ред. проф. О. В. Вакуленка (додаток: "Російсько-український фізичний словник":. - К., 2006.

Відредаговано та надіслано Фролов Д. В.

Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия. Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, но и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего. Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов  высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.