This page is hosted for free by zzz.com.ua, if you are owner of this page, you can remove this message and gain access to many additional features by upgrading your hosting to PRO or VIP for just 32.50 UAH.
Do you want to support owner of this site? Click here and donate to his account some amount, he will be able to use it to pay for any of our services, including removing this ad.

Методика вивчення властивостей речовин в різних агрегатних станах

Методика вивчення властивостей твердих тіл

У цій темі розглядаються механічні властивості твердих матеріалів, відомості про будову кристалів, принцип їх щільної упаковки, сили міжмолекулярної взаємодії, механізм деформацій, дефекти в кристалах. Матеріал теми має не тільки пізнавальний характер, але потрібний для розуміння навчального матеріалу наступних тем, зокрема. електричної провідності металів та напівпровідників.

Об’єм навчального матеріалу, що стосується великої за обсягом галузі техніки, обмежений програмою, а тому має, в основному, описовий характер. Сучасним і актуальним у темі є матеріал про природне і штучне утворення кристалів та поняття про рідкі кристали.

Приступаючи до вивчення матеріалу потрібно спиратись на знання, уже відомі учням, зокрема з хімії. Спочатку пригадують, що однією з найважливіших властивостей і ознак твердих тіл (на відміну рідин) є збереження об’єму і форми. Для пояснення такої властивості потрібно порівняти густини однієї й тієї ж речовини в рідкому і твердому станах. Те, що густина речовини у твердому стані мало відрізняється від густини в рідкому стані, свідчить, що відстані між молекулами речовини у твердому стані приблизно такі, як і в рідкому. Але рідина і тверде тіло відрізняються співвідношенням між потенціальною енергією взаємодії молекул і кінетичною енергією цих молекул. Якщо для рідин ці енергії одного порядку Ерк, то для твердого тіла Ер>>Ек. Причина такої відмінності можна пояснити своєрідним розташуванням молекул. У твердих тілах у розташуванні молекул має місце далекий порядок, за якого частинки твердого тіла розміщуються впорядковано і утворюють просторову кристалічну гратку. У рідинах же спостерігається ближній порядок.

Тверді тіла поділяються на кристалічні й аморфні. У фізиці твердими тілами вважають лише кристалічні тіла. Аморфні тіла розглядають як дуже в’язкі рідини. Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, в аморфних речовин в’язкість при підвищенні температури поступово зменшується, вони не мають певної температури плавлення.

У багатьох випадках тверде тіло може бути одним кристалом, який для цього випадку називають монокристалом. У монокристалах спостерігається анізотропія фізичних властивостей. У більшості твердих тіл анізотропія властивостей не проявляются оскільки вони переважно мають полікристалічну структуру. У посібнику [26] описані досліди, демонстрації моделі кристалічної гратки, твердого тіла й рідини, анізотропії теплопровідності й механічних властивостей.

Цікавим для учнів може бути повідомлення вчителя про те, що багато природних кристалів на Землі утворилося при охолодженні магми. Спочатку утворювались кристали тих речовин, температура кристалізації яких досить висока, далі утворювались кристали речовин, що мають нижчу температуру кристалізації. Якщо магма остигала повільно, то утворювались кристали великих розмірів. За швидкого остигання магми утворювались дрібнозернисті мінерали. Багато мінералів утворилось з перенасичених водних розчинів, зокрема кухонна сіль NaCl.

Деякі галузі народного господарства потребують великої кількості монокристалів, зокрема таких, що рідко зустрічаються в природі. Для задоволення потреб промисловості розроблено кілька способів вирощування монокристалів. Найбільш поширеними з них є: кристалізація з розплаву, кристалізація з розчину, кристалізація з газу. У посібнику [26] описано декілька демонстраційних дослідів для показу утворення і зростання кристалів. Багато монокристалів можна вирощувати з перенасичених розчинів, зокрема алюмокалієвого чи хромового галуна, мідного купоросу, двохромовокислого калію та ін. Ці процеси проходять досить повільно, тому вирощування кристалів можна рекомендувати учням провести вдома. Вказівки можна взяти із згаданого вище посібника.

Розглядаючи властивості рідких кристалів потрібно вказати, що подібний стан є проміжним між рідиною і твердим тілом. Кристалами ці речовини можна назвати тому, що вони мають анізотропію оптичних і електричних властивостей. Проте для них діє умова про співрозмірність кінетичної та потенціальної енергій взаємодії молекул, яка властива для рідин.

Виклад питань про властивості твердих тіл і матеріалів, зокрема про види деформацій супроводжують простими дослідами, які описано в посібнику для демонстраційного експерименту [26, с.120-122]. Завершують вивчення цих питань розглядом діаграми розтягу.

Важливим моментом у вивченні механічних властивостей твердих тіл є вивчення закону Гука. При його вивченні застосовують методичний підхід, який дозволяє познайомити учнів з загальнішою формою запису цього закону. У законі Гука, який вивчався в курсі механіки у вигляді Fпр=kΔl, коефіцієнт k характеризує механічні властивості не речовини, а даного твердого тіла. У зв’язку з цим ставлять завдання знайти таку форму запису закону, в якому було б відображено механічні властивості матеріалу, з якого виготовлено технічну деталь. З цією метою спочатку вводяться такі поняття як механічна напруга σ та відносне видовження ε. Тоді у формулюванні закона Гука буде твердження, що для певного матеріалу механічна напруга пропорціональна відносному видовженню: δ=ε.

Після запису закону Гука у вигляді F/S=(Δl/l)E потрібно з’ясувати фізичний зміст модуля пружності Е та встановити його зв’язок з жорсткістю тіла k у іншій формі запису закону. Для цього закон Гука записують у вигляді F = kΔl. Співставивши два вирази для закону Гука, можна записати, що E=k(l/S)

Звідси k=ES/l

Якщо l = 1 м, S =1 м2, то Е чисельно дорівнює k. Отже, модуль пружності чисельно дорівнює жорсткості тіла кубічної форми з ребром один метр, якщо сила діє перпендикулярно до однієї з граней, а механічна напруга рівномірно розподілена в тілі.

Розрахункові задачі на властивості твердих тіл зводяться до застосування поняття напруги, відносного видовження, закону Гука та на застосування поняття границі міцності. Крім розрахункових потрібно розв’язувати і якісні задачі.

Якісні задачі

- Чому кристал кухонної солі при ударі по ньому молотком розколюється на шматки різного розміру, які мають завжди форму паралелепіпеда з прямими кутами?
- Якого діаметра має бути сталевий стрижень гака підіймального крана, розрахованого на підіймання вантажу масою m=8*108 кг, щоб він забезпечував шестикратний запас міцності? Границя міцності сталі σc=108 Па.
- Для вимірювання глибини моря з теплохода спускають за борт однорідний сталевий трос. Яку максимальну глибину можна визначити таким способом? Границя міцності сталі σc = 5*108 Па, густина сталі σ1= 7850 кг/м3, густина морської води σ2=1030 кг/м3.

Питання для самоконтролю

1. Яка послідовність викладу навчального матеріалу в підручниках та програмі з фізики?
2. Як продемонструвати незалежність тиску насиченої пари від об’єму при сталій температурі?
3. Чому тиск насиченої пари при збільшенні температури зростає швидше, ніж тиск ідеального газу?
4. Як пояснити учням залежність температури кипіння рідини від зовнішнього тиску?
5. Як пояснити учням, що концентрація молекул у поверхневому шарі рідини менша, ніж всередині?
6. Як показати еквівалентність силового та енергетичного трактування поверхневого натягу?
7. Чому не можна ототожнювати властивості поверхні рідини з властивостями гумової плівки?
8. Як продемонструвати і пояснити анізотропію монокристалів?
9. Як пояснити відмінність закону Гука у вигляді σ=Еε від Fх=–kx?

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка


































© 2003-2019 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting