Необхідну к кількість годин можна отримати за рахунок об’єднання тем та використання часу із резерву годин, який для даних класів складає 5 годин.
При викладанні даної теми потрібно широко використовувати демонстраційні досліди, адже це сприятиме покращенню засвоєння матеріалу, вирощування кристалів являється достатньо простим та легким у виконання дослідом, що є достатньо цікавим для учнів, потрібно також при приведенні цих занять використати зразки кристалів із кабінетів географії та хімії, де можна знайти зразки кристалів кварцу, слюди, тощо.
Проведення лабораторної роботи на тему «Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл» дозволить практично визначити коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл (металів) та довести практичне використання цього поняття на практиці. Зокрема в точній механіці, тощо. Для проведення лабораторної роботи не потрібно складної апаратури та приладів. Всі необхідні прилади та матеріали можна знайти у шкільному кабінеті фізики та хімії.
Проведення уроку розв’язування завдань та задач на тему «Теплове розширення твердих тіл» дозволить практично закріпити вміння та навики розв’язку завдань та задач, провести підготовку до тематичної атестації по фізиці та покаже практичне використання вивчених понять у фізиці, побуті, науці.
Розділ 2. Кристалічні та аморфні тіла. Теплове розширення тіл.
Розглянемо основні поняття будови речовини та теплового розширення тіл на основі їх будови.
Тверді тіла можна поділити на дві групи, які суттєво відрізняються за своїми властивостями. Одну групу утворюють кристалічні тіла, іншу – аморфні. В природі аморфні тіла зустрічаються значно рідше порівняно з кристалічними. Деякі речовини при одних умовах можна одержати в аморфному стані, при інших – в кристалічному. Наприклад, плавленням кристалів кварцу і наступним охолодженням їх легко добути аморфне кварцеве скло. Ступінь впорядкованості аморфного тіла значною мірою залежить від його отримання.
Для аморфних тіл характерним є лише ближній порядок розміщення елементів структури, тобто певне, узгоджене розміщення в просторі сусідніх, близько розміщених частинок. Аморфні тіла є як природними так і штучними. Для аморфних тіл характерна ізотропність – однаковість властивостей, незалежно від напрямку. На відміну від кристалічних тіл.
Останнім часом значно зріс інтерес до вивчення аморфних тіл, які почали широко використовувати в електронній техніці, друкарській справі тощо.
Головною особливістю внутрішньої будови кристалічних тіл є так званий дальній порядок, тобто строга дистанційна повторюваність елементів структури (атома, атомної групи, молекули, іона), тобто певний «візерунок» їх у трьох вимірах, який поширюється практично на нескінченне число періодів кристалічної решітки.
Ідеальні кристали та ідеальний газ – це два граничні стани речовини, які характеризуються впорядкованістю та хаотичністю. Вони реалізуються відповідно при низьких температурах і високих тисках та при високих температурах і низьких тисках.
Серед кристалічних тіл слід розрізняти монокристали і полікристали. Монокристал – окремий, великих розмірів кристал. Монокристали твердих тіл можуть утворюватись в умовах вільного росту, тобто коли кристалізація в рідкому стані починається на введеній затравці, коли умови росту кристала однакові на всіх його поверхнях. Кристалічну структуру монокристалів виявляють безпосередньо за їхньою зовнішньою формою. Монокристали гірського кришталю досягають розмірів зросту людини.
Більшість твердих тіл мають дрібнокристалічну структуру, тобто складаються з великої кількості дрібних кристалів, які зрослися між собою хаотично. Такі тіла називають полікристалічними. До них належать, зокрема, метали, для яких є характерними «металевий блиск» та ковкість.
Зауважимо, що поділ твердих тіл тільки на дві групи - кристалічні та аморфні – є недостатнім. Це випливає вже хоча б з факту існування таких станів речовини, як рідкі кристали.
Однією з основних властивостей кристалічних тіл є анізотропія, тобто залежність фізичних властивостей макроскопічного однорідного тіла від напряму. Анізотропія – один з важливих наслідків правильного порядку в розміщенні структурних частинок.
Аморфні тіла – ізотропні. Природна ізотропність їх зумовлена відсутністю самовільної орієнтації структурних частинок.Однією з найбільш важливих та характерних властивостей кристалів є їх симетрія. Під симетрією кристалів розуміють закономірності розміщення їхніх структурних частинок на площині та в просторі.
В цілому реальні властивості кристалів визначаються певною регулярністю розміщення структурних одиниць та характером сил взаємодії.
Основи кристалографії є базою для вивчення фізики твердого тіла, а також для раціонального використання, розробки і освоєння нових матеріалів з наперед заданими властивостями.
Фізичні властивості твердих кристалічних тіл визначаються їхнім хімічним складом, характером сил зв'язку між структурними одиницями. Оскільки кристали мають внутрішню симетрію, необхідно знати характер сил зв'язку між структурними одиницями. Аналіз сил зв'язку дає змогу добути цінну інформацію про енергію зв'язку та провести наближену класифікацію кристалів. Енергією зв'язку називають енергію, потрібну для розщеплення твердого тіла на структурні одиниці залежно від його хімічного складу.
Загальною рисою всіх типів зв'язку є те, що природа сил зв’язку електрична. У твердих тілах розрізняють іонний, ковалентний ( атомний), металічний, вандерваальсовий та водневий зв'язки. У іонних кристалах правильно чергуються в розміщенні позитивні і негативні іони. Фізична природа іонного зв'язку в кристалах майже така, як і іонних молекул. Але тут електростатична взаємодія складніша внаслідок взаємодії окремого іона з усіма іншими іонами кристала. Іонний зв'язок досить сильний. Він становить величину порядку 105 Дж/моль. Міцність іонного зв'язку проявляється в тому, що іонні кристали мають малий коефіцієнт теплового розширення і високу температуру плавлення. Електропровідність іонних кристалів при кімнатних температурах незначна. Вона на 20 порядків нижча, ніж металів, і зростає з підвищенням температури.
Типовими кристалами з ковалентним зв'язком є алмаз, графіт, карборунд, сульфід цинку, йод, сірка. До них належать і напівпровідники. У вузлах кристалічної решітки таких кристалів розміщені нейтральні атоми. Характерною рисою ковалентного зв'язку є її напрямленість, а розподіл густини заряду навколо кожного з ядер атомів відрізняється від сферичного. Це приводить до виникнення нового стану, в якому зовнішні валентні електрони, слабо зв'язані з ядром, належать одночасно обом ядрам, тобто усуспільнені. Між атомами, які колективізували свої зовнішні неспарені валентні електрони, виникає значне електричне притягання. Звичайно, поряд з притяганням існує і взаємне кулонівське відштовхування між електронами і ядрами атомів. Енергія електростатичного відштовхування значно менша від енергії притягання. Ковалентний зв'язок суттєво відрізняється від іонного тим, що число електронів, які здійснюють ковалентний зв'язок, у кожного атома обмежене, а тому цей зв'язок є насиченим. Так, для водню один з атомів, що об'єднався з другим, утворює молекулу, яка не реагуватиме з третім вільним атомом водню. Для типового ковалентного кристалу алмазу кожен атом утворює чотири ковалентні зв'язки, віддаючи для усуспільнення кожному з них один з своїх валентних електронів і одержуючи другий електрон від сусіднього атома.
Ковалентний зв'язок між двома атомами може здійснюватись однією парою електронів (одинарний зв'язок: С—С); двома парами (подвійний зв'язок: С=С, С=О – СО2); трьома парами електронів (потрійний зв'язок: С=С – СаС2). Ковалентний зв'язок досить сильний. Тому ковалентні кристали мають велику енергію зв'язку порядку 3 – 5 еВ на один атом. Завдяки цьому кристали з ковалентними зв'язками мають високу механічну міцність і твердість, високу температуру плавлення, погану електропровідність в широкому інтервалі температур.
Металічний зв'язок в основному характерний для речовин, побудованих з атомів одного елемента (наприклад, мідь, золото). Металічні кристали містять у вузлах кристалічної решітки позитивні іони. В просторі між ними вільно переміщуються колективізовані валентні електрони. На відміну від ковалентного зв'язку в колективізації електронів беруть участь усі атоми, утворюючи так званий «електронний газ». Валентні електрони всіх атомів належать одночасно усьому кристалу. Металічний зв'язок – це взаємодія сукупності позитивних іонів з колективізованими валентними електронами. Кінетично притягуючись до позитивних іонів, вільні електрони відіграють роль клею, що фіксує позитивні іони на певних відстанях відповідно до рівноваги і мінімуму потенціальної енергії системи. В границях кристала електрони можуть переміщатися, беручи участь в тепловому русі. Металічний зв'язок здійснюється не через електронні пари, які сумісно належать двом частинкам, а за допомогою вільних валентних електронів, що належать всьому кристалу в цілому. Енергія металічного зв'язку значно менша, ніж у ковалентних і іонних кристалів. Підтвердженням цього є більш низька температура плавлення металів, ніж іонних і ковалентних кристалів.