Тепловое расширение тел (стр. 4 из 6)

Треба підкреслити, що сучасна техніка ставить дуже високі вимоги до чистоти кристалів, якої природа не може забезпечити. Для цього кристали вирощують в умовах повної герметичності, старанно оберігають їх від пилинок і вологи, найменших коливань температури. Інакше порушиться чітка схема розміщення атомів у кристалічній решітці. Кристали «зріють» у герметичних скляних ємкостях, заповнених розчином тієї чи іншої хімічної сполуки. Вода поступово випаровується, розчин перенасичується і молекули майбутнього кристала осідають на тоненьку пластинку.

На основі дослідження процесів утворення кристалів опрацьовано методи вирощування великих монокристалів, які дають можливість у лабораторних або промислових умовах діставати зразки з лінійними розмірами в десятки сантиметрів. У світі налагоджено виробництво штучних алмазів, рубінів, ізумрудів, сапфірів, аметистів, кварцу тощо. В Україні цим займається Інститут кристалохімії НАН України. Штучно вирощені алмази твердіші від природних; їх успішно застосовують у промисловості. Синтезовано також такі надтверді кристали, як боразон (кубічний нітрид бору), кубоніт, фіаніт тощо, які іноді використовуються у якості дорогоцінних у ювелірній промисловості.

Найхарактернішою особливістю монокристалів є анізотропія властивостей – їх залежність від певного напряму. На уроці слід продемонструвати хоча б один з випадків анізотропії, зокрема анізотропію міцності, оскільки вона притаманна майже всім кристалам. Розколюючи досить великі кубічні кристали кухонної солі, дістають дрібні осколки переважно у вигляді прямокутних паралелепіпедів. Це означає, що в напрямах, паралельних граням, міцність кристала кухонної солі значно нижча, ніж у діагональних та інших напрямах. Слюду легко розщепити на пластинки, але важко розірвати окремі пластинки в напрямі, перпендикулярному до пластинки. Це також свідчить про неоднакову міцність слюди в різних напрямах. Бажано, щоб ці досліди зміг виконати кожний учень на своєму робочому столі. На підставі дослідів роблять висновок, що в різних напрямах міцність кристалів неоднакова. Це прояв анізотропії механічних властивостей кристала.

Анізотропію теплопровідності ілюструють плавленням парафіну або воску, нанесених на поверхню пластинки, вирізаної з кристала кварцу або гіпсу. Якщо торкнутись гарячою голкою до кварцової або гіпсової пластинок, то поверхня, на якій плавиться парафін, матиме вигляд овала, а скляної – вигляд круга.

Особливо цікавою є анізотропія росту кристалів. Якщо взяти досить великий кристал, наприклад кристал галуна, спиляти його вершини, а потім, обв'язавши кристал ниткою, відзначити вузликами попередні положення вершин і помістити в перенасичений розчин галуна, то побачимо, що кристал відновить свою попередню форму: на місцях спиляних вершин утворяться нові вершини. Отже, кристал росте неоднаково в різних напрямах.

Пояснюють, що анізотропія властивостей – наслідок упорядкованого розміщення частинок у кристалах. Анізотропія буває лише в монокристалів. Більшість твердих тіл – полікристали. Кожному монокристалику, що входить до складу полікристала, властива анізотропія тих чи інших властивостей. Але оскільки всі вони зрослися в повному безпорядку, то в полікристалах переважаючого напряму немає. Тому полікристалічні тіла ізотропні, тобто їхні властивості однакові в усіх напрямах, хоч кожний окремий кристалик – анізотропний. Те, що полікристали складаються з безлічі зерен – кристаликів, слід показати на зламі цинкової пластинки.

Серед тіл, які зберігають свій об'єм (як рідини) і форму, є й такі, що перебувають не в кристалічному, а в аморфному стані. Скло, клей, віск, парафін, пластилін, асфальт, різні смоли, янтар, багато пластмас – приклади речовин в аморфному стані. Під зовнішнім впливом аморфні тіла проявляють одночасно пружні властивості (як тверді тіла) і текучість (як рідини). У випадку короткочасної дії (удару) вони поводяться як тверді тіла і від сильного удару розколюються на частини. Якщо ця дія тривала, то аморфні тіла «течуть».

Так, наприклад, грудка смоли поступово розтікається на твердій поверхні. Аморфні тіла ізотропні, тобто їхні властивості однакові в усіх напрямах.

Аморфні тіла не мають певних температур плавлення і тверднення. З твердого стану в рідкий вони переходять, поступово розм'якшуючись, а з рідкого в твердий, - поступово тужавіючи. Для аморфних тіл немає такої температури, вище від якої речовина була б у рідкому стані, а нижче – в твердому.

Звертають увагу учнів, що в аморфних тілах розміщення частинок має близький порядок. Частинки аморфних тіл у твердому стані розміщені так само хаотично, як і в рідкому. Рідина й аморфне тіло відрізняються одне від одного лише ступенем рухливості частинок - часом їхнього «осілого життя». Під час тверднення аморфної речовини кінетична енергія хаотичних рухів частинок поступово зменшується, але їхня потенціальна енергія стрибкоподібно не зменшується. Внутрішня енергія речовини в аморфному стані трохи більша, ніж у кристалічному, бо впорядкованому розміщенню середніх положень частинок у положеннях рівноваги відповідає найменша потенціальна енергія частинок. Тому можливий самовільний перехід речовини з аморфного стану в кристалічний.

Учні мають бути підведені до розуміння того, що частинки аморфних тіл у твердому стані коливаються, аналогічно частинкам у рідинах, навколо хаотично розміщених вузлів. Однак частинки аморфного тіла з одного положення рівноваги в інше переміщаються через такі великі проміжки часу, що практично аморфні тіла є твердими тілами.

Після цього можна пояснити різницю в характері плавлення кристалічних і аморфних речовий. Для перетворення речовини з твердого кристалічного стану в рідкий необхідно зруйнувати впорядкованість у розміщенні частинок тіла. Для цього має бути витрачена енергія, яку тіло дістає у вигляді так званої теплоти плавлення. При температурі плавлення за рахунок цієї енергії змінюється характер хаотичного руху частинок кристалічного тіла. Частішають їх стрибки з одного положення рівноваги в інше і порушується порядок розміщення. Такий процес саме і є переходом тіла з кристалічного стану в рідкий (аморфний). При переході речовини з кристалічного стану в рідкий стрибкоподібно збільшується потенціальна енергія атомів і молекул.

На основі отриманого раніше матеріалу вводиться поняття теплового розширення тіл. Учням пояснюється, що як для кристалічних тіл так і для аморфних тіл характерним є теплове розширення, яке можна пояснити так: при нагріванні амплітуда коливань частинок у вузлах решітки буде зростати і за рахунок цього зростають лінійні розміри тіла. Таке пояснення можна дати і зростанню об’єму тіла при нагрівання.

Для характеристики теплового розширення тіл використовується коефіцієнт теплового розширення твердих тіл

:

,

.

Введення цих коефіцієнтів можна закріпити демонстрацією вимірювання коефіцієнта теплового розширення наприклад води, в хімічних циліндр (або капіляр чи трубку) наливають гарячу воду, термометром вимірюють температуру води. При охолодженні води її об’єм зменшиться. Зменшення об’єму модна визначити і розрахувати коефіцієнт теплового розширення води:

Початковий об’єм води рівний:

, тоді .

Тоді підставивши отримані формули ми одержимо:

Отримане значення коефіцієнта об’ємного теплового розширення потрібно порівняти із табличним значенням його.

Для розмірів твердого тіла при нагріванні можна записати рівність:

. А для об’ємного розширення: . При введенні даних формул потрібно користуватися аналогією із формулою для температурної залежності питомого опору від температури: , де - у даному випадку температурний коефіцієнт опору. Дані формули аналогічні. Введені формули потрібно закріпити розв’язком завдань.

Висновок.

Вивчення фізики має на меті формування спеціаліста в точних науках, інженера, фізика, хіміка. Для цього слугує поглиблений, або як його ще називають профільний курс фізики. У профільний курс фізики входить достатньо багато питань, які не розглядаються у стандартному курсі, або ж розглядаються досить поверхово. Одним із таких питань є теплове розширення тіл. Слід відмітити, що раніше, за часів СРСР теплове розширення тіл вивчалося у стандартному курсі фізики. Але в наш час воно із стандартного курсу виключене.

У роботі було розглянуто методику викладання теплового розширення твердих тіл у класах із поглибленим вивченням фізики, було розглянуто також питання, які частково відносяться до теплового розширення тіл та використовуються для пояснення даного фізичного явища. Результати розгляду даного питання викладено у вигляді планів-конспектів уроків.

Вивчення теплового розширення твердих тіл має на меті формування цілісної фізичної картини світу, розвиток кругозору учня, проведення лабораторної роботи та розв’язування вправ та завдань дозволить сформувати вміння та навики розв’язку завдань по даній темі, проведення вимірювань, користування вимірювальними приладами.