Мета: Ознайомитися з поняттям "Густина речовини","Кристалічні та аморфні тіла".Визначити , як змінються лінійні розміри твердих тіл при зміні температури.
Хід уроку
Частина 1. 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 (див. малюнок). Використовуючи ваги, виміряємо масу кожного злитка, а використовуючи лінійку, виміряємо їхні об'єми. Результати вимірів занесемо в таблицю.
Чавунні злитки
Алюмінієві злитки
Маса, кг
8,5
45
18
29
6,2
18
9,7
4.5
Об'єм,дм3
1,3
6,5
2,6
3,9
2,3
6,5
3,6
1,8
їхня частка
≈7
≈7
≈7
≈7
≈3
≈3
≈3
≈3
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.jpg 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.jpg Густина речовини залежить як від маси складових його молекул, так і від об'єму, як показано на малюнку Файл:Den 7 14 2.jpg На відео можна побачити як відрізняються між собою маси тіл при різній густині
Частина 2. 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 звичайна шибка. 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.
Частина 3.
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 зміна 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 являють собою вхідні в зачеплення, але не з'єднані жорстко ряди зубів, 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 робота1 1. Назви вимірювальні прилади, зображені на малюнках. Для виміру яких величин вони призначені? Файл:Den 7 14 9.jpg 2. Чи однаковий час показують годинники на малюнку? Файл:Den 7 14 10.jpg 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.jpg 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.
5. Урок фізики по тему: "Агрегатний стан речовини". 7-й клас. Ткаченко олена Петрівна. м. Нікополь.
Відредаговано та надіслано Фролов Д. В.
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.
