Типология урока: урок изучения новых знаний и способов действий
Вид урока: комбинированный
Цели урока:
План урока
План изучения темы.
Оборудование: шар с кольцом; биметаллическая пластинка; тепловое реле; колба с резиновой и стеклянной трубкой, вставленной в пробку; Г – обрезанная стеклянная трубка с каплей воды; неокрашенная вода; электрическая плитка; трансформатор; проволока.
Демонстрации:
Сообщение:
Особенности теплового расширения воды.
Мотивация познавательной деятельности студентов
Общеизвестно, что вещество обычно расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, т.е. происходит тепловая деформация тела под действием молекулярных сил в процессе нагревания и охлаждения. Это явление объясняется тем, что повышение температуры связанно с увеличением скорости движения молекул, а это ведет к увеличению межмолекулярных расстояний и в свою очередь, к расширению тела.
Тепловое расширение надо обязательно учитывать при термообработке и при термическом способе изготовления деталей и оборудования, при строительстве машин, трубопроводов, электрических линий, мостов, зданий, подверженных температурным изменениям.
ХОД ЗАНЯТИЯ
I. Организация начала урока
Приветствие, формулировка темы, цели занятия, указание на предстоящий объем работы. Мотивация познавательной деятельности.
II. Повторение изученного материала
1. Проверка домашнего задания
Проверить решение качественных физических задач по теме “Твердые тела и их свойства” (фронтальный опрос студентов).
2. Подготовка к восприятию нового материала
III. Изучение нового материала
В ходе обсуждения вводится понятие теплового расширения тел, примеры расширения тел, виды теплового расширения.
Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.
При расширении тела происходит увеличение его объема, и говорят об объемном расширении тела . Но иногда нас интересует лишь изменение одного размера, например длины железнодорожных рельсов или металлического стержня. В том случае говорят о линейном расширении . Конструкторы автомобилей интересуются расширением поверхности листов металла, применяемых при постройке машины. Здесь вопрос стоит о поверхностном расширении .
Постановка опытов:
Вопрос: одинаково ли расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов?
Ответ: нет, так как у разных веществ молекулы имеют разные массы. Изменение температуры на одно то же число градусов характеризует одинаковую среднюю квадратичную скорость молекул. Е к = молекул с меньшей массой будет меньше, чем молекул с большой массой. Поэтому межмолекулярные пространства различных веществ изменяются различно при одинаковой температуре, что и приводит к неодинаковому расширению.
2. Рассмотрим линейное расширение твердых тел и его особенности
Расширение твердого тела вдоль одного его измерения называется линейным.
Для характеристики степени линейного расширения различных твердых тел вводят понятие коэффициента линейного расширения.
Величина, показывающая, на какую долю начальной длины, взятой при 0 0 С, увеличивается длина тела от нагревания его на 1 0 С, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается через .
К -1 = или = 0 С -1 =
Введем обозначения: t 0 – начальная температура; t – конечная температура; l 0 – длина тела при t 0 =0 0 С; l t – длина тела при t 0 С; l – изменение длины тела; t – изменение температуры.
Допустим, что произошло нагревание провода на 60 0 С. В начале провод имел длину 100 см, а при нагревании его длина увеличилась на 0,24 см.
Отсюда, можно вычислить увеличение длины провода при нагревании на 1 0 С.
Общее удлинение (0,024 см) разделим на длину провода и изменение температуры: =0,000004 0 С -1 =(4*10 -6) 0 С -1 .
Тогда = или = (1)
3. а) Для вычисления длины тела в зависимости от температуры t преобразуем формулу (2)
l t -l 0 = l 0 t l t =l 0 + l 0 t l t =l 0 (1+ t)
Двучлен (1+t) называется биномом линейного расширения . Он показывает, во сколько раз увеличилась длина тела при нагревании его от 0 0 до t 0 С.
Итак, конечная длина тела равна начальной длине, умноженной на бином линейного расширения.
Формула l t =l 0 (1+? t) является приближенной и ею можно пользоваться при не очень больших температурах (200 0 С-300 0 С).
При больших изменениях температуры эту формулу применять нельзя.
б) Часто при решении задач пользуются другой приближенной формулой, которая упрощает вычисления. Например, если необходимо вычислить длину тела при нагревании от температуры t 1 до температуры t 2 , то используют формулу:
l 2 ~ l 1 , коэффициент линейного расширения ~
IV. Промежуточное закрепление материала
Отправимся гулять вдоль полотна железной дороги. Если погода холодная, то мы заметим, что концы двух смежных рельсов отделены друг от друга промежутками 0,6-1,2 см, в жаркую погоду эти концы почти сходятся вплотную. Отсюда вывод, что рельсы при нагревании расширяются, сжимаются при охлаждении. Следовательно, если дорога строилась зимой, то надо было оставить некоторый запас, чтобы дать рельсам свободно расширяться в жаркое время года. Возникает вопрос, какой запас требуется оставить для этого расширения?
Допустим, что в нашей местности изменение температуры в году бывает от -30 0 С до -35 0 С и длина рельса 12,5 м. Какой зазор надо оставлять между рельсами?
Ответ: т.о. надо оставить зазор в 1 см, если укладка рельсов идет при низкой температуре или укладывать рельсы друг с другом в стык, если рельсы укладываются в самую жаркую погоду.
V. Изучения нового материала (продолжение)
4. Рассмотрим объемное расширение твердых тел и его особенности
Увеличение объема тел при нагревании называется объемным расширением.
Объемное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения и обозначается через? .
Задание: по аналогии с линейным расширением дать определение коэффициента объемного расширения и вывести формулу =.
Студенты самостоятельно реализуют решение этого вопроса и вводят обозначения: V 0 – начальный объем при 0 0 С; V t – конечный объем при t 0 С; V – изменение объема тела; t 0 – начальная температура; t – конечная температура.
Величина, показывающая, на какую долю начального объема, взятого при 0 0 С, увеличивается объем тела от нагревания на 1 0 С, называется коэффициентом объемного расширения .
а) Найдем зависимость объема твердого тела от температуры. Из формулы = найдем конечный объем V t .
V t -V 0 = V 0 t, V t =V 0 + V 0 t, V t =V 0 (1+ t).
Двучлен (1+? t) называется биномом объемного расширения . Он показывает, во сколько раз увеличился объем тела при нагревании его от 0 до t 0 С.
Итак, конечный объем тела равен начальному объему, умноженному на бином объемного расширения.
Если известен объем тела V 1 при температуре t 1 , то объем V 2 при температуре t 2 можно находить по приближенной формуле V 2 ~V 1 , а коэффициент объемного расширения ~ .
Вывод и запись формул реализуется студентами самостоятельно.
6. Значение коэффициента объемного расширения? очень малая величина.
Однако, если мы обратимся к таблицам, то увидим, что значении? для твердых тел там нет. Оказывается между коэффициентами линейного и объемного расширения существует зависимость? =3? .
Выведем это соотношение.
Допустим, что мы имеем кубик, длина ребра которого при 0 0 С равна 1 см. нагреем кубик на 1 0 С, тогда длина его ребра будет l t =1+? *1 0 =1+? . Объем нагретого кубика V t =(1+?) 3 . С другой стороны, объем этого же кубика можно вычислить по формуле V t =1+? *1 0 =1+? .
Из последних равенств получим 1+? =(1+?) 3 , отсюда 1+? =1+3? +3? 2 +? 3 .
Так как числовые значения? очень малы – порядка миллионных долей, то 3? 2 и? 3 подавно являются величинами чрезвычайно малыми. На этом основании, пренебрегая величинами 3? 2 и? 3 , получим, что? =3? .
Коэффициент объемного расширения твердого тела равен утроенному коэффициенту линейного расширения.
7. Выясним как изменяется плотность тел при изменении температуры. Плотность тела при 0 0 С.
p, откуда m=p 0 *V 0 , где m – масса тела; V 0 – объём при 0 0 С;
m = const при изменении температуры, но объём тела изменяется, значит меняется и плотность.
На этом основании можно написать, что плотность
тела при температуре t = 0 0 C , т.к. V t
= V 0 (1+? t), то 
.
При расчётах нужно учитывать, что в таблицах указывается плотность вещества при 0 0 С. Плотность при других температурах, вычисляется по формуле? t .
При нагревании p t – уменьшается, при охлаждении p t – увеличивается.
VI. Закрепление изученного материала.
Рис. 9.2
щем минимальному значению потенциальной энергии Ер0. По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положе-
г ния равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по- прежнему соответствовало бы рас-стоянию г0. Это означало бы общую
При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии г0, соответствую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной Ег, среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию гх > г0.
Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются.
Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения Е2, Ез и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекула-ми, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r2 > г3 > г2 и т. д.
При нагревании тела среднее расстояние между колеблющимися молекулами увеличивается, поэтому увеличиваются и размеры тела.
Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.
Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.
При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.
Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.
Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.
(объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.
Раздел физики изучающий данное свойство называется дилатометрией .
Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.
Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером в соответствующем измерении при увеличении его температуры на расширяется на величину , равную:
,где - так называемый коэффициент линейного теплового расширения . Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении р характеризуется изобарным коэфф. расширения (коэфф. объёмного Т. p.) a=1/VX(dV/dT)p, где V объём тела (твёрдого, жидкого или газообразного), Т его… … Физическая энциклопедия
ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, изменение размеров и формы тела при изменении его температуры. Характеризуется коэффициентами объемного (для твердых тел и линейного) теплового расширения, т.е. изменением объема (линейных размеров) тела при изменении его… … Современная энциклопедия
Изменение размеров тела при его нагревании; характеризуется коэффициентом объемного расширения, а для твердых тел и коэффициентом линейного расширения, где l изменение линейного размера, ?V объема тела, ?T температуры, индекс указывает на… … Большой Энциклопедический словарь
тепловое расширение - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN heat expansionthermal expansion … Справочник технического переводчика
ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ - изменение размеров и формы тел при их нагревании. Различие в силах сцепления между молекулами тела в различных его агрегатных (см.) сказывается на величине Т. р. Твёрдые тела, молекулы которых сильно взаимодействуют, расширяются мало, жидкости… … Большая политехническая энциклопедия
Изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом Т. р.) Т2 > T1, V исходный объём тела (разность температур T2 T1… … Большая советская энциклопедия
тепловое расширение - šiluminis plėtimasis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion vok. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. тепловое расширение,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
тепловое расширение - šiluminis plėtimasis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion rus. тепловое расширение; термическое расширение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
тепловое расширение - šiluminis plėtimasis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion vok. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. тепловое расширение, n; термическое расширение, n pranc. dilatation thermique, f; expansion… … Fizikos terminų žodynas
Изменение размеров тела при его нагревании; характеризуется коэффициентом объёмного расширения αυ = 1/V (ΔV/VT)Ξ, а для твёрдых тел и коэффициентом линейного расширения αл = 1/l(Δl/ΔТ)Ξ, где Δl изменение линейного размера, ΔV объёма тела, ΔТ … … Энциклопедический словарь
При нагревании тел растет средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и среднее расстояние между молекулами. Поэтому все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Различают линейное и объемное расширение.
Изменение одного определенного размера твердого тела при изменениях температуры называетсялинейным расширением (или сжатием).
Где – длина стержня при 0 0 ,
Коэффициент линейного расширения. Размерность = О С -1 .
Длина тела
при любой температуре t: 
;
При объемном расширении увеличивается объем: , где: – объем тела при 0 0 C.
Объем тела при любой температуре t: , где:
Коэффициент объемного расширения;
Экспериментально установлено, что . Поэтому 
.
Аналогично для площади поверхности
твердого тела: 
.
В жидкостях есть одно замечательное исключение: вода при нагревании от 0 0 C до +4 0 C сжимается, а при охлаждении от +4 0 C до 0 0 C – расширяется. Коэффициент объемного расширения воды сильно меняется при изменении температуры.
Примеры тепловых расширений:
Вода при замерзании расширяется и разрывает горные породы, металлические трубы и другие технические конструкции.
В автоматике применяются биметаллические пластины, использующие различие коэффициентов линейного расширения каждой из двух пластин. При нагревании биметаллическая пластина теряет устойчивость, нажимает на переключатель, в результате чего исполнительный механизм срабатывает.
Тепловые расширения важно учитывать при прокладывании рельсов, натягивании проводов, сооружении мостов и т.д. Выводы из электроламп и радиоламп производят из материала, у которого коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения стекла.
Плавление и кристаллизация.
Диаграмма фазовых состояний
Переход вещества из твердого состояния в жидкоесостояние называется плавлением, а переход из жидкого состояния в твердое –отвердеванием или кристаллизацией. Плавление и отвердевание происходит при одной и той же температуре, называемойтемпературой плавления. Давление практически не влияет на величину температуры плавления. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называютточкой плавления.
При плавлении твердого тела увеличивается расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, и происходит разрушение самой решетки. У подавляющего большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается.
Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества. Жидкая и твердая фазы вещества при одинаковой температуре могут оставаться в равновесии сколь угодно долгое время (лед и вода при 0 0 C). Поэтому пока все вещество не расплавится, его температура остается неизменной , равной температуре плавления.
Теплотой плавления называется количество теплоты, которое необходимо подвести к телу массой m, находящемуся при температуре плавления , чтобы его расплавить.
Где – удельная теплота плавления.
1 Дж/кг.
На рисунке 34 показаны графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании. Отрезок (рисунок 34а) выражает количество теплоты, полученное веществом при нагревании в твердом состоянии (от до T ПЛ), отрезок - при плавлении и отрезок - при нагревании в жидком состоянии. Отрезок (рисунок 34б) выражает количество теплоты, отданное веществом при охлаждении в жидком состоянии (от до ), отрезок - при отвердевании и отрезок - при охлаждении в твердом состоянии.
Рисунок 34. Графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании
Многие твердые вещества обладают запахом. Это доказывает, что твердые вещества могут переходить в газообразное состояние, минуя жидкое. Испарение твердых тел называетсявозгонкой или сублимацией (от латинского “сублимате” - возносить). В пищевой промышленности используется обладающий таким свойством “сухой лед” (СО 2). Возможен и обратный процесс – рост кристаллов из газообразного вещества (лед на окнах, зарастание перемычек ПЗУ).
Для каждого вещества можно составить диаграмму состояний в координатах Р и Т (рисунок 35), на основании которой можно легко определить, в каком состоянии будет находиться это вещество при тех или иных внешних условиях. Каждая точка диаграммы соответствует равновесному состоянию вещества, в которых оно может находиться сколь угодно долго.
Кривая KC – зависимость давления насыщающего пара от температуры. Точка K – критическая точка.
Кривая CA – зависимость от температуры давления насыщающих паров, находящихся в равновесном состоянии с поверхностью твердого тела.
Кривая KC – линия равновесия жидкой и газообразной фаз. Прямая BC – линия равновесия жидкой и твердой фаз. Кривая AC – линия равновесия твердой и газообразной фаз.
Точка C изображает равновесие между всеми тремя фазами, ее называют тройной точкой. У гелия нет тройной точки.
Контрольные вопросы:
1. Расскажите о тепловом расширении твердых тел.
2. Что такое плавление и кристаллизация? Что такое теплота плавления?
3. Что такое возгонка вещества?
4. Расскажите о диаграмме состояний вещества.
