Версия 13:17, 16 октября 2012

Гипермаркет знаний>>Физика>>Физика 7 класс>> Зависимость размеров тел от температуры

• Если  вы  наблюдательны, то,  наверное,  обратили  внимание  на та­кие факты. Электрические  провода летом  провисают  намного  силь­нее,  чем  зимой,  т.  е.  летом  они  длиннее.  Если  набрать  полную  бу­тылку  холодной  воды  и  поставить в теплое место, то  со временем часть воды из бутылки выльется, так как во время нагревания вода расширяется. Воздушный шарик,  вынесенный  из  комнаты  на мороз, уменьшается в  объеме.

1. Убеждаемся в тепловом расширении твердых тел, жидкостей и газов

Несложные опыты и многочисленные на­блюдения убеждают нас в  том,  что,  как  прави­ло,  твердые  тела, жидкости  и  газы  во  время нагревания расширяются, а  во  время охлажде­ния сжимаются.

Тепловое расширение жидкостей и газов лег­ко наблюдать с помощью колбы, шейка которой плотно  закупорена,  а  в  пробку  вставлена  стек­лянная трубка. Перевернем колбу,  заполненную воздухом,  в  сосуд  с  водой. 

Теперь  достаточно взяться за колбу рукой, и в скором времени воз­дух, расширяясь в колбе,  будет выходить в виде пузырьков из трубки под водой  (рис.  2.30).

Теперь наполним колбу какой-нибудь подкра­шенной жидкостью и закупорим так, чтобы часть жидкости вошла  в трубку  (рис.  2.31,  а).  Обозна­чим уровень жидкости в трубке и опустим колбу в сосуд с горячей водой. В первый момент уровень жидкости  немного  снизится  (рис.  2.31,  б),  и  это можно  объяснить  тем,  что  сначала  нагревается и  расширяется  колба,  а уже  потом,  нагреваясь, расширяется вода.

Рис. 2.30. При нагревании воз­дух в колбе расширяется и часть его выходит из колбы —  это видно по пузырькам воздуха, выходящим из трубки

Рис. 2.31  Опыт, демонстрирующий, что при нагревании жидкость (как твердые тела и газы)
расширяется: а — закрытая пробкой колба с жидкостью в трубке; б — в первый момент нагрева­
ния уровень жидкости немного снижается; в  — при дальнейшем нагревании уровень жидкости
значительно повышается

В скором времени мы убедим­ся,  что  по мере нагревания  колбы и  воды  в  ней уровень  жидкости  в  трубке  заметно  повысится (рис.  2.31,  в).  Итак,  твердые  тела  и  жидкости, как и  газы,  во время нагревания  расширяются. Исследовательским путем выяснено, что твердые тела и жидкости  во время нагревания расширя­
ются намного меньше, чем газы.

Тепловое  расширение  твердых  тел  можно продемонстрировать также на следующем опы­те. Возьмем медный шарик, который в ненагре­том  состоянии легко проходит  сквозь пригнан­ное  к  нему  кольцо.  Нагреем шарик  в  пламени спиртовки и убедимся в том, что шарик  теперь не будет проходить сквозь кольцо (рис.  2.32, а).
После  охлаждения шарик  снова легко  пройдет сквозь кольцо  (рис.  2.32,  б).

2. Выясняем причину теплового расширения

В чем же причина увеличения объема тел во время  нагревания,  ведь количество молекул с увеличением температуры не изменяется?

Атомно-молекулярная  теория  объясняет  теп­ловое  расширение  тел  тем,  что  с  увеличением температуры  увеличивается  скорость  движения атомов  и  молекул.  В  результате  увеличивается среднее расстояние между атомами (молекулами).

Рис. 2.32.  Опыт, иллюстрирую­щий тепловое расширение твер­дых тел: а — в нагретом состоя­нии шарик не проходит сквозь кольцо; б —  после охлаждения шарик проходит сквозь кольцо

Соответственно, увеличивает­ся объем тела. И наоборот, чем ниже температура вещества, тем меньше межмолекулярные промежутки. Исключением является вода, чугун и некоторые дру­гие вещества. Вода, например, расширяется только при температуре выше 4 °С; при температуре от О 0C до 4 0C объем воды во время нагревания уменьшается.

3. Характеризуем тепловое расширение твердых тел

Выясним, как изменяются линейные размеры твердого тела вследствие изменения температуры. Для этого измерим длину алюминиевой трубки, по­том нагреем  трубку,  пропуская  сквозь  нее  горячую  воду.  Спустя  некоторое время можно заметить,  что длина трубки незначительно увеличилась.

Заменив алюминиевую трубку стеклянной такой же длины,  мы убедим­ся,  что  в  случае  одинакового  увеличения  температуры  длина  стеклянной трубки увеличивается намного меньше, чем длина алюминиевой. Таким об­разом,  делаем  вывод:  тепловое расширение тела  зависит  от  вещества,  из которого  оно изготовлено.

Физическая  величина,  характеризующая  тепловое  расширение  материала и численно  равная отношению  изменения длины  тела  вследствие его  нагрева­ния  на  I  °С  и  его  начальной  длины,  называется  температурным  коэффициен­том линейного  расширения.

Температурный  коэффициент  линейного  расширения  обозначается  сим­волом а и  вычисляется по формуле:

Из  определения  температурного  коэффициента  линейного  расширения можно получить единицу этой физической величины:

Ниже  в  таблице  приведены  температурные  коэффициенты  линейного расширения некоторых веществ.

Тепературные коэффициенты линейного расширения некоторых  веществ

4. Знакомимся с тепловым расширением в природе и технике

Способность  тел  расширяться  во  время нагревания  и  сжиматься  во  время  охлажде­ния  играет  очень  важную  роль  в  природе.  По­верхность  Земли  прогревается  неравномерно. В  результате  воздух  вблизи  Земли  также  рас­ширяется  неравномерно,  и  образуется  ветер, предопределяющий  изменение  погоды.  Нерав­номерное прогревание воды  в морях и  океанах приводит  к  возникновению  течений,  которые
существенно  влияют  на  климат.  Резкие  коле­бания  температуры  в  горных  районах  вызыва­ют  расширение  и  сжатие  горных  пород.  А  по­скольку  степень  расширения  зависит  от  вида породы,  то  расширения  и  сжатия  происходят неравномерно,  и  в  результате  образуются  тре­щины,  которые  приводят  к  разрушению  этих
пород.

Тепловое  расширение  приходится  прини­мать  во  внимание  при  строительстве  мостов и  линий  электропередач,  прокладывании  труб отопления,  укладке  железнодорожных  рель­сов,  изготовлении  железобетонных  конструк­ций и  во многих других  случаях.

Явление теплового расширения широко ис­пользуется  в  технике  и  быту.  Так,  для  авто­матического  замыкания  и  размыкания  элект­рических  цепей  используют  биметаллические пластинки —  они  состоят  из двух полос  с  раз­ным  коэффициентом  линейного  расширения (рис.  2.33).  Тепловое  расширение  воздуха  по­могает  равномерно  прогреть  квартиру,  охла­дить  продукты  в  холодильнике,  проветрить комнату.

Рис. 2.33.  Для изготовления авто­матических предохранителей (а), для автоматического включения и выключения нагревательных приборов (б) широко используют­ся биметаллические пластинки (в). Один из металлов при увеличении температуры расширяется намно­го больше, чем другой, в результа­те этого пластинка изгибается (г) и электрическая цепь размыкает­ся (или замыкается)

5.  Учимся решать задачи

Задача. Длина  стального  железнодорожного рельса  при  температуре  О ^оC  равна  8  г. На сколько увеличится его длина в зной­ный летний день при температуре 40 °С?

Анализ  условия  задачи.  Зная,  как  изменя­ется  длина  стальной  детали  вследствие  нагре­вания  на  1 °С,  т.  е.  зная  температурный  ко­эффициент  линейного  расширения  стали,  мы

найдем, на сколько изменится длина рельса вследствие нагревания на 40 °С.
Температурный  коэффициент  линейного  расширения  стали  найдем  по  таб­
лице,  приведенной  выше.
Поиск математической модели
По  определению  температурного  коэффициента линей­
ного расширения:
AZ
а - -------
I0At
Решение  и анализ результатов
Из формулы для определения температурного коэффици­
ента линейного расширения найдем удлинение рельса:
Al = Cd0At •
Поскольку At =  t  -   t0,  получаем Al = aIJt  -   i0).
Проверим единицу искомой величины:
[ I - Z0] =  ^ - M - CC = M.
Найдем числовое значение:
{I - 10  } = 0,000012- 8- (4 0 -0 )  = 0,00393,  таким образом,
I - I 0  = 0,00392 м = 3,92 мм.
Проанализируем  результат:  увеличение  длины  рельса
вполне реально.
Ответ:  длина рельса увеличилась на 3,92 мм.
О   ПОДВОДИМ итоги
Твердые  тела,  жидкости  и  газы  во  время  нагревания,  как  правило,
расширяются.  Причина  теплового  расширения  в  том,  что  с  увеличением
температуры  увеличивается  скорость  движения  атомов  и  молекул.  В  ре­
зультате  увеличивается  среднее  расстояние  между  атомами  (молекулами).
Тепловое расширение твердых веществ характеризуется коэффициентом ли­
нейного расширения.  Коэффициент линейного  расширения численно  равен
отношению изменения длины  тела  вследствие нагревания  его  на  I  0C  и  его
Al
начальной длины  а = ------- .
I0  At
О  Контрольные вопросы  ............. ... ... ................... ....-.... .........
I.  Приведите примеры,  подтверждающие,  что  твердые  тела,  жидкос­
ти и  газы расширяются во время нагревания.  2.  Опишите опыт,  де­
монстрирующий тепловое расширение жидкостей.  3.  В чем причина
увеличения объема тел во время нагревания?  4.  От чего,  кроме тем­
пературы,  зависит  изменение  размеров  тел  во  время  их  нагревания
(охлаждения)?  5.  В  каких  единицах  измеряется  коэффициент  ли­
нейного расширения?
Дано:
I0-  8  м
t0 = 0 °С
t = 40 0C
а = 0,000012  1/°С

/'  Упражнения  — ..... ......и д = а .............. — .....................
I» Выберите все правильные  ответы. Когда тело  охлаждается,  то:
а)  скорость движения  его молекул уменьшается;
б) скорость движения  его молекул увеличивается;
в) расстояние между его молекулами уменьшается;
г) расстояние между его молекулами увеличивается.
2  Как  изменится  объем  воздушного шарика,  если  мы  перенесем  его
из холодного помещения в теплое? Почему?
3. Что происходит с расстояниями между частичками жидкости в тер­
мометре в  случае похолодания?
4  Правильным  ли  является  утверждение,  что  во  время  нагревания
тело увеличивает  свои  размеры,  так  как  размеры  его молекул уве­
личиваются? Если  нет,  предложите  свой,  исправленный,  вариант.
5  Зачем  на  точных  измерительных  приборах  указывают  темпера­
туру?
в  Вспомните  опыт  с  медным шариком,  который  вследствие  нагрева­
ния  застревал  в  кольце  (см.  рис.  2.32).  Как  изменились  вследствие
нагревания:  объем  шара;  его  масса;  плотность;  средняя  скорость
движения атомов?
7.  После  того  как  пар  кипящей  воды  пропустили  через  латунную
трубку,  длина трубки увеличилась на  1,62 мм. Чему равен коэффи­
циент  линейного  расширения  латуни,  если  при  температуре  15 0C
длина  трубки  равна  I  м?  Напоминаем,  что  температура  кипящей
воды  равна  100 °С.
8  Платиновый провод длиной  1,5 м находился при  температуре 0 °С.
Вследствие  пропускания  электрического  тока  провод  раскалился
и  удлинился на  15 мм. До какой температуры он был нагрет?
9  Медный лист прямоугольной формы,  размеры  которого при  темпе­
ратуры  20 0C  составляют  60  см х 50  см,  нагрели  до  600 °С.  Как  из­
менилась площадь листа?
ф   Экспериментальные задания  .......- г......в .у-.  -пт ■■ м ...........им 1 ...
I  Как,  имея  дощечку,  молоток,  два  гвоздика,  спиртовку  и  пинцет,
показать,  что  размер  монеты  в  5  копеек  во  время  нагревания  уве­
личивается? Выполните соответствующий опыт.  Объясните наблю­
даемое явление.
Наполните бутылку водой  так,  чтобы внутри  остался пузырек  воз­
духа. Нагрейте  бутылку в  горячей  воде.  Проследите,  как изменят­
ся размеры пузырька. Объясните результат.
.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. — X.: Издательство «Ранок», 2007. — 192 с.: ил.

Содержание урока
 конспект урока и опорный каркас
 презентация урока
 интерактивные технологии 
 акселеративные методы обучения

Практика
 тесты, тестирование онлайн
 задачи и упражнения 
 домашние задания
 практикумы и тренинги
 вопросы для дискуссий в классе

Иллюстрации
 видео- и аудиоматериалы
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты

Дополнения
 рефераты
 шпаргалки 
 фишки для любознательных 
 статьи (МАН)
 литература основная и дополнительная
 словарь терминов

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 календарные планы
 учебные программы
 методические рекомендации  
 обсуждения

 Идеальные уроки-кейсы

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.