Тепловое расширение тел

Методика проведення уроків з теми «теплове розширення тіл при нагріванні» в умовах поглибленого вивчення фізики.

			Зміст.	


Вступ.



У повсякденному житті, у побуті та на виробництві доволі часто доводиться стикатися із явищем теплового розширення тіл. Це явище потрібно враховувати при побудові ліній електропередач, при створенні точних приладів, тощо. Але це явище не розкривається у курсі фізики для загальної школи, що, звичайно ж, не відображає важливості цього питання для формування цілісної картини світу.

Явище теплового розширення тіл можна доволі легко вимірювати навіть у умовах школи і тому на його основі можна провести лабораторну роботу та практично визначити параметри теплового розширення. Тому в умовах профільного навчання фізики доцільно провести вивчення теплового розширення тіл. При виконанні даної роботи буде зроблено аналіз програми із фізики для типової школи та для класів із профільним навчанням фізики, буде дано рекомендації щодо вивчення теми теплове розширення тіл при нагріванні. Також буде проведено розгляд методики викладання даної теми у класах із профільним навчанням та дано рекомендації щодо викладання даної теми, розроблено план-конспект уроку та необхідних демонстрацій по темі. 


Розділ 1. Аналіз програми із фізики типової школи та  програми профільного навчання фізики



Проведемо аналіз програми шкільного курсу фізики для типових класів та класів із профільним навчанням фізики. 



Побудова шкільного курсу фізики



Шкільний курс фізики побудовано за двома логічно завершеними концентрами, зміст яких узгоджується зі структурою середньої загальноосвітньої школи: в основній школі (7 – 9 клас) вивчається логічно завершений базовий курс фізики, який закладає основи фізичного знання; у старшій школі вивчення фізики відбувається залежно від обраного профілю навчання: на рівні стандарту, академічному або профільному. В основній школі фізику починають вивчати як окремий навчальний предмет, зміст якого і вимоги до його засвоєння є єдиними для всіх учнів. Урахування пізнавальних інтересів учнів, розвиток їх творчих здібностей і формування схильності до навчання фізики здійснюється завдяки особистісно орієнтованому підходу, запровадженню факультативних курсів і проведенню індивідуальних занять. 

У старшій школі загальноосвітня підготовка з фізики продовжується на засадах профільного навчання. Зміст фізичної освіти та вимоги до його засвоєння залежать від обраної навчальної програми: на рівні стандарту курс фізики обмежується обов’язковими результатами навчання, тобто мінімально необхідною сумою знань, які мають головним чином світоглядне спрямування; на академічному рівні закладаються базові знання з фізики, достатні для продовження навчання за напрямами, де потрібна відповідна підготовка з фізики; на рівні профільного навчання в учнів формуються фундаментальні знання з фізики, оскільки з їх удосконаленням учні здебільшого пов’язують своє майбуття в професійному зростанні. 

Програма профільного навчання фізики передбачає систематизоване вивчення основних фізичних теорій, формування світогляду і наукового стилю мислення учнів на основі фізичної картини світу, оволодіння методами наукового пізнання та усвідомлення фізичного знання на рівні, необхідному для подальшого його використання в професійній діяльності та продовженні фізичної освіти. Основними профілями навчання, де фізика вивчається на такому рівні, є фізичний, фізико-математичний і фізико-технічний. 



Аналіз навчальної програми із фізики.



Вивчення фізики починається набагато раніше чим у шкільній програмі з’являється такий предмет як фізика.  У 5 – 6 класах учні отримують фізичні знання головним чином завдяки дослідно-експериментальній діяльності на уроках природознавства, вивченню технологій, математики, під час екскурсій у природу; поповнюється їхній термінологічний апарат (швидкість, маса, температура, час, механічний рух, теплота, атом тощо). 

Саме на уроках природознавства учні отримують перші знання про теплове розширення тіл, як приклад можна навести дослід із розширенням монетки. Але на уроках природознавства не даються ніякі кількісні характеристики розширення і його вивчення проводиться на емпіричному рівні. 

Вивчення теплового розширення на кількісному рівні можливо лише в рамках курсу фізики. 

 Теплове розширення відноситься до теплових явищ, які вивчаються в курсі фізики двічі, в основній та старшій школах. Вивчення теплового розширення тіл слід розпочинати із вивчення такого поняття як агрегатний стан речовини і на його основі вже вводити  поняття теплового розширення. 

Початкові уявлення про будову речовини учнів отримують на початковому етапі вивчення фізики у сьомому класі. В сьомому класі вивчаються такі теми як «Початкові відомості про будову речовини», де вивчають агрегатні стани речовини, дифузію, розглядають стани речовини на основі молекулярно-кінетичних уявлень. Але більш детально починається розгляд теми про будову речовини та її властивості в старшій школі. 

В десятому класі в курсі фізики вивчаються такі питання які відносяться до молекулярної фізики. В класах із профільним  вивченням фізики на вивчення фізики стандартно відводиться 5 годин на тиждень (якщо не враховувати різноманітні спеціальні школи при вузах, тощо, де ця кількість годин може бути і більшою). В класах із стандартним вивченням фізики на цей предмет відводиться лише три години на тиждень. В звичайних класах  на вивчення молекулярної фізики згідно програм відводиться 23 години та 5 годин резерву, який використовується на розв’язування завдань та проведення тематичних атестацій. У таких класах не передбачено вивчення теплового розширення тіл. І властивості твердих тіл вивчаються тільки поверхово, згідно плану який наведено нижче в таблиці 1. 

Таблиця 1. Витяг із навчального плану по фізиці. 

Молекулярна фізика і термодинаміка 

(23 год + 5 год резерву)

Теми занять

Вимоги до знань.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини та її дослідні обґрунтування. Маса та розміри атомів і молекул. Кількість речовини.

Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості і застосування. 

Лабораторні роботи

Дослідження одного з ізопроцесів

Вимірювання відносної вологості повітря

Демонстрації

Властивості насиченої пари.

Кипіння води за зниженого тиску.

Будова і принцип дії психрометра.

Поверхневий натяг рідини.

Скорочення поверхні мильних плівок.

Капілярне піднімання рідини.

Пружна і залишкова деформації.

Вирощування кристалів

Зміна кольору рідких кристалів від температури.

За результатами вивчення розділу учень:

називає прізвища творців молекулярно-кінетичного учення про будову речовини, вчених, які зробили вагомий внесок у створення теорії рідин, твердих тіл і матеріалів; наводить приклади рідких кристалів, аморфних і кристалічних тіл та полімерів; розрізняє ідеальний і реальні гази, ізопроцеси, насичену і ненасичену пару, кристалічні і полікристалічні тіла; 

може описати гіпотезу Демокрита про атомну будову речовини та основні етапи її розвитку, молекулярну будову рідин і полімерів, кристалічну будову тіл та їх загальні механічні властивості, пояснити визначальну роль взаємного розміщення, руху і взаємодії молекул щодо будови і фізико-хімічних властивостей тіл; тверднення і плавлення тіл на основі атомно-молекулярних і термодинамічних підходів;

здатний спостерігати змочування і капілярність, пароутворення і конденсацію, тверднення та плавлення тіл як фізичних явищ (згідно до відповідного правила-орієнтиру); робити висновки про можливість отримання речовин (матеріалів) з наперед заданими фізико-хімічними властивостями.

Як видно із програми у курсі фізики стандартної школи поняття теплового розширення тіл не вводиться взагалі, вивчається лише така тема як «Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості і застосування».

Тому вивчення теплового розширення тіл можливе тільки в умовах поглибленого, профільного вивчення фізики у школі.

Згідно програм для профільного вивчення фізики  ми маємо одну годину часу на вивчення теплових властивостей твердих тіл. А також одну годину часу на вивчення будови та властивостей твердих тіл, де розглядаються поняття кристалічних та аморфних тіл та їх властивості. Проведення лабораторних дослідів по цій темі крім вирощування кристалів та зміни кольору рідких кристалів не передбачено. Провівши аналіз положень програми фізики для профільного навчання можна зробити висновок, що вивчення теплових властивостей твердих тіл  доцільно провести згідно наступного плану, який приведено у таблиці 2.


Таблиця 2. Приблизний план вивчення теплових властивостей твердих тіл. 

ТЕПЛОВІ ВЛАСТИВОСТІ ТІЛ

Теми занять

Вимоги до знань.

Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості і застосування. (1 год)

Теплові властивості твердих тіл. Коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл. (1 год)

Розв’язування вправ та завдань. (1 год)



Лабораторні роботи

		Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл. (1 год).

Демонстрації

		Вирощування кристалів

Зміна кольору рідких кристалів від температури.

За результатами вивчення розділу учень:

Розуміти відмінності між кристалічними та аморфними тілами, знати їх основні характерні ознаки та вміти відрізняти ці тіла на практиці; 

Знати поняття теплового розширення тіл та їх причини, коефіцієнт теплового розширення, сил зв’язку між складовими частинками твердих тіл;

Вміти вимірювати коефіцієнт теплового розширення на практиці, розв’язувати завдання та вправи на використання коефіцієнта теплового розширення твердих тіл. 



Для якісного вивчення теплового розширення тіл необхідно виділити для вивчення даної теми мінімум три години, одна іх яких буде відведена на проведення лабораторної роботи на тему «Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл», а інші дві години будуть використані на вивчення нового матеріалу. У максимальному випадку потрібно чотири години, одна із яких може бути використана на проведення розв’язування завдань та вправ по темі. 

Необхідну к кількість годин можна отримати за рахунок об’єднання тем та використання часу із резерву годин, який для даних класів складає 5 годин.

При викладанні даної теми потрібно широко використовувати демонстраційні досліди, адже це сприятиме покращенню засвоєння матеріалу, вирощування кристалів являється достатньо простим та легким у виконання дослідом, що є достатньо цікавим для учнів, потрібно також при приведенні цих занять використати зразки кристалів із кабінетів географії та хімії, де можна знайти зразки кристалів кварцу, слюди, тощо. 

Проведення лабораторної роботи на тему «Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл» дозволить практично визначити коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл (металів) та довести практичне використання цього поняття на практиці. Зокрема в точній механіці, тощо. Для проведення лабораторної роботи не потрібно складної апаратури та приладів. Всі необхідні прилади та матеріали можна знайти у шкільному кабінеті фізики та хімії. 

Проведення уроку розв’язування завдань та задач на тему «Теплове розширення твердих тіл» дозволить практично закріпити вміння та навики розв’язку завдань та задач, провести підготовку до тематичної атестації по фізиці та покаже практичне використання вивчених понять у фізиці, побуті, науці.  




 Розділ 2. Кристалічні та аморфні тіла. Теплове розширення тіл. 



Розглянемо основні поняття будови речовини та теплового розширення тіл на основі їх будови. 



Кристалічні та аморфні тіла



Тверді тіла можна поділити на дві групи, які суттєво відрізняються за своїми властивостями. Одну групу утворюють кристалічні тіла, іншу – аморфні. В природі аморфні тіла зустрічаються значно рідше порівняно з кристалічними. Деякі речовини при одних умовах можна одержати в аморфному стані, при інших – в кристалічному. Наприклад, плавленням кристалів кварцу і наступним охолодженням їх легко добути аморфне кварцеве скло. Ступінь впорядкованості аморфного тіла значною мірою залежить від його отримання.

Для аморфних тіл характерним є лише ближній порядок розміщення елементів структури, тобто певне, узгоджене розміщення в просторі сусідніх, близько розміщених частинок. Аморфні тіла є як природними так і штучними. Для аморфних тіл характерна ізотропність – однаковість властивостей, незалежно від напрямку. На відміну від кристалічних тіл.

Останнім часом значно зріс інтерес до вивчення аморфних тіл, які почали широко використовувати в електронній техніці, друкарській справі тощо.

Головною особливістю внутрішньої будови кристалічних тіл є так званий дальній порядок, тобто строга дистанційна повторюваність елементів структури (атома, атомної групи, молекули, іона), тобто певний «візерунок» їх у трьох вимірах, який поширюється практично на нескінченне число періодів кристалічної решітки.

Ідеальні кристали та ідеальний газ – це два граничні стани речовини, які характеризуються впорядкованістю та хаотичністю. Вони реалізуються відповідно при низьких температурах і високих тисках та при високих температурах і низьких тисках.

Серед кристалічних тіл слід розрізняти монокристали і полікристали. Монокристал – окремий, великих розмірів кристал. Монокристали твердих тіл можуть утворюватись в умовах вільного росту, тобто коли кристалізація в рідкому стані починається на введеній затравці, коли умови росту кристала однакові на всіх його поверхнях. Кристалічну структуру монокристалів виявляють безпосередньо за їхньою зовнішньою формою. Монокристали гірського кришталю досягають розмірів зросту людини.

Більшість твердих тіл мають дрібнокристалічну структуру, тобто складаються з великої кількості дрібних кристалів, які зрослися між собою хаотично. Такі тіла називають полікристалічними. До них належать, зокрема, метали, для яких є характерними «металевий блиск» та ковкість.

Зауважимо, що поділ твердих тіл тільки на дві групи - кристалічні  та аморфні – є недостатнім. Це випливає вже хоча б з факту існування таких станів речовини, як рідкі кристали.

Однією з основних властивостей кристалічних тіл є анізотропія, тобто залежність фізичних властивостей макроскопічного однорідного тіла від напряму. Анізотропія – один з важливих наслідків правильного порядку в розміщенні структурних частинок. 

Аморфні тіла – ізотропні. Природна ізотропність їх зумовлена відсутністю самовільної орієнтації структурних частинок. Однією з найбільш важливих та характерних властивостей кристалів є їх симетрія. Під симетрією кристалів розуміють закономірності розміщення їхніх структурних частинок на площині та в просторі.

В цілому реальні властивості кристалів визначаються певною регулярністю розміщення структурних одиниць та характером сил взаємодії.

Основи кристалографії є базою для вивчення фізики твердого тіла, а також для раціонального використання, розробки і освоєння нових матеріалів з наперед заданими властивостями.



Сили зв’язку в твердих тілах



Фізичні властивості твердих кристалічних тіл визначаються їхнім хімічним складом, характером сил зв'язку між структурними одиницями. Оскільки кристали мають внутрішню симетрію, необхідно знати характер сил зв'язку між структурними одиницями. Аналіз сил зв'язку дає змогу добути цінну інформацію про енергію зв'язку та провести наближену класифікацію кристалів. Енергією зв'язку називають енергію, потрібну для розщеплення твердого тіла на структурні одиниці залежно від його хімічного складу.

Загальною рисою всіх типів зв'язку є те, що природа сил зв’язку електрична. У твердих тілах розрізняють іонний, ковалентний ( атомний), металічний, вандерваальсовий та водневий зв'язки. У іонних кристалах правильно чергуються в розміщенні позитивні і негативні іони. Фізична природа іонного зв'язку в кристалах майже така, як і іонних молекул. Але тут електростатична взаємодія складніша внаслідок взаємодії окремого іона з усіма іншими іонами кристала. Іонний зв'язок досить сильний. Він становить величину порядку 105 Дж/моль. Міцність іонного зв'язку проявляється в тому, що іонні кристали мають малий коефіцієнт теплового розширення і високу температуру плавлення. Електропровідність іонних кристалів при кімнатних температурах незначна. Вона на 20 порядків нижча, ніж металів, і зростає з підвищенням температури. 

Типовими кристалами з ковалентним зв'язком є алмаз, графіт, карборунд, сульфід цинку, йод, сірка. До них належать і напівпровідники. У вузлах кристалічної решітки таких кристалів розміщені нейтральні атоми. Характерною рисою ковалентного зв'язку є її напрямленість, а розподіл густини заряду навколо кожного з ядер атомів відрізняється від сферичного. Це приводить до виникнення нового стану, в якому зовнішні валентні електрони, слабо зв'язані з ядром, належать одночасно обом ядрам, тобто усуспільнені. Між атомами, які колективізували свої зовнішні неспарені валентні електрони, виникає значне електричне притягання. Звичайно, поряд з притяганням існує і взаємне кулонівське відштовхування між електронами і ядрами атомів. Енергія електростатичного відштовхування значно менша від енергії притягання. Ковалентний зв'язок суттєво відрізняється від іонного тим, що число електронів, які здійснюють ковалентний зв'язок, у кожного атома обмежене, а тому цей зв'язок є насиченим. Так, для водню один з атомів, що об'єднався з другим, утворює молекулу, яка не реагуватиме з третім вільним атомом водню. Для типового ковалентного кристалу алмазу кожен атом утворює чотири ковалентні зв'язки, віддаючи для усуспільнення кожному з них один з своїх валентних електронів і одержуючи другий електрон від сусіднього атома. 

Ковалентний зв'язок між двома атомами може здійснюватись однією парою електронів (одинарний зв'язок: С—С); двома парами (подвійний зв'язок: С=С, С=О – СО2); трьома парами електронів (потрійний зв'язок: С=С – СаС2). Ковалентний зв'язок досить сильний. Тому ковалентні кристали мають велику енергію зв'язку порядку 3 – 5 еВ на один атом. Завдяки цьому кристали з ковалентними зв'язками мають високу механічну міцність і твердість, високу температуру плавлення, погану електропровідність в широкому інтервалі температур.

Металічний зв'язок в основному характерний для речовин, побудованих з атомів одного елемента (наприклад, мідь, золото). Металічні кристали містять у вузлах кристалічної решітки позитивні іони. В просторі між ними вільно переміщуються колективізовані валентні електрони. На відміну від ковалентного зв'язку в колективізації електронів беруть участь усі атоми, утворюючи так званий «електронний газ». Валентні електрони всіх атомів належать одночасно усьому кристалу. Металічний зв'язок – це взаємодія сукупності позитивних іонів з колективізованими валентними електронами. Кінетично притягуючись до позитивних іонів, вільні електрони відіграють роль клею, що фіксує позитивні іони на певних відстанях відповідно до рівноваги і мінімуму потенціальної енергії системи. В границях кристала електрони можуть переміщатися, беручи участь в тепловому русі. Металічний зв'язок здійснюється не через електронні пари, які сумісно належать двом частинкам, а за допомогою вільних валентних електронів, що належать всьому кристалу в цілому. Енергія металічного зв'язку значно менша, ніж у ковалентних і іонних кристалів. Підтвердженням цього є більш низька температура плавлення металів, ніж іонних і ковалентних кристалів.

Висока концентрація вільних електронів у металів зумовлює їхню добру електро- та теплопровідність. Метали оптично непрозорі, мають велику відбивну здатність, тому для них характерний специфічний металічний блиск.

У вузлах кристалічних решіток молекулярних кристалів розміщені певним способом орієнтовані молекули. Характерною для молекулярних кристалів є геометрична відокремленість молекул кристала і сильні внутрішньомолекулярні зв'язки. Це означає, що енергія внутрішньомолекулярних зв'язків значно перевищує енергію міжмолекулярних зв'язків. Силами зв'язку в цьому разі є сили Ван-дер-Ваальса та водневі зв'язки, коли молекули мають гідроксильні ОН та амінні NH2 групи. Переважна більшість молекулярних кристалів – це органічні кристали. Молекулярні неорганічні кристали трапляються рідко. До них належать речовини, молекули яких складаються з азоту, фосфору, сірки та ін.

Молекулярні кристали за фізичними властивостями є ізоляторами, мають низьку температуру плавлення, прозорі для широкого інтервалу електромагнітних хвиль.


2.3. Теплове розширення тіл 

Із підвищенням температури відбувається теплове розширення твердих тіл. Очевидно, що при нагріванні зростає амплітуда коливань атомів та молекул в вузлах кристалічної гратки і об’єм кристала збільшується при збільшенні середньої відстані між частинками. Кількісно теплове розширення характеризують за допомогою коефіцієнта лінійного  та об’ємного розширення :

,

.

Тоді для розмірів твердого тіла можна записати рівність: 





Для конструкційних твердих тіл можна приблизно вважати, що , а із значеннями величин коефіцієнта теплового розширення твердих тіл можна ознайомитися у таблиці  Додатку 3. рівність  найбільш точно справджується для аморфних тіл та кристалів кубічного виду. Для твердих тіл величина  порядку . Коефіцієнт лінійного розширення мало залежить від температури. Табличні значення володіють достатньою точністю в інтервалі температур від 0ºС до 100 ºС. Для більшості твердих тіл . Це цілком природно, оскільки більш інтенсивний тепловий рух ніби розштовхує частинки. Досить мале значення коефіцієнта розширення для плавленого кварцу та інвару. Ці матеріали широко використовують у точному приладобудуванні, коли потрібно уникнути зміни розмірів деталей при коливанні температур.

Для різних напрямків у кристалах відстані між структурними частинками  та сили взаємодії між ними не однакові. Отже теплове розширення у кристалах має анізотропний характер. Лінійні коефіцієнти розширення залежать від симетрії кристала. 

Розділ 3. Методика проведення уроків при вивченні теми «Теплове розширення тіл» 



Приступаючи до вивчення нового матеріалу, треба врахувати, що з курсів фізики й хімії попередніх класів учні вже мають певні уявлення про пружні та пластичні властивості твердих тіл. Ці уявлення треба використати, доповнити й узагальнити.

Пригадують, що звичайно твердим називають тіло, яке зберігає свою форму та об'єм. Інша характерна ознака твердого тіла – його міцність. Розірвати тіло на частини можна лише при певній деформації. Однак це зовнішні ознаки, які характеризують твердий стан речовини.

	3	фізичної точки зору вони не дають можливості чітко розмежувати твердий і рідкий стани речовини. За цими
ознаками, наприклад, аморфні речовини є твердими тілами, а за внутрішньою будовою вони – рідини.

Властивості твердих тіл на основі молекулярно-кінетичної теорії пояснюють після розгляду процесу тверднення рідини. Учні вже знають, що газ перетворюється в рідину тоді, коли внаслідок зближення молекул густина речовини зростає приблизно в 1000 раз, а відстані між молекулами зменшуються в 10 разів. Відповідно до цього в багато тисяч раз зростають сили взаємодії між молекулами. Тут логічним є припущення, що при твердненні молекули зближуються ще більше, а сили взаємодії зростають ще значніше. Однак досліди показують, що густина речовини в твердому стані дуже мало відрізняється від густини тієї самої речовини в рідкому стані. Більше того, буває й так, що густина в твердому стані менша, ніж у рідкому. Наприклад, густина води дорівнює 1000 кг/м3, тоді як льоду - порядку 920 кг/м3. Звідси випливає, що в твердому тілі середні відстані між молекулами майже такі самі, а тому й сили взаємодії між ними однакові.

Сили взаємодії кожної молекули з сусідніми дуже великі, внаслідок чого молекули рідини коливаються навколо деяких середніх положень стійкої рівноваги. Практично молекули рідини через дуже малі проміжки часу (близько однієї стомільйонної частки секунди) стрибком переміщуються в просторі, що обумовлює текучість рідин. Отже, рідина складається з безлічі мікроскопічних областей, для яких характерним є певний порядок у розміщенні сусідніх молекул. Цей порядок змінюється з часом і в просторі, тобто не повторюється в усьому об'ємі рідини. Про таку структуру кажуть, що вона має близький порядок.

Однак, якщо істотно знизити температуру рідини і тим самим зменшити кінетичну енергію її молекул, то вони вже не зможуть виходити з положень стійкої рівноваги, а розмістяться в них. Саме це й відбуватиметься при твердненні рідини.

Щоб усі молекули були в стані стійкої рівноваги, треба, щоб кожна з них була розміщена однаково відносно інших молекул. Це означає, що біля кожної молекули має бути та сама кількість однаково розміщених молекул. На мал. 1, а кожна молекула (наприклад, молекула 0) має чотирьох найближчих сусідів (1, 2, 3 і 4), а на мал. 1, б – шістьох найближчих сусідів.

Учні приходять до висновку, що в твердому тілі частинки розміщуються в певному порядку, тоді як у рідині і газі такого порядку немає. Під час тверднення рідини частинки стрибкоподібно переходять від хаотичного до впорядкованого розміщення. Процес супроводиться зменшенням потенціальної енергії взаємодії частинок: адже кожна з них переходить у положення, де потенціальна енергія мінімальна.



Мал. 1. Розташування молекул в речовині. 

 Залишити ці місця вони можуть тільки тоді, коли зовнішня сила виконає певну роботу. Саме тому тверді тіла й зберігають свою форму. 

Далі пояснюють, що правильно розміщені частинки твердого тіла (молекули, іони, атоми) утворюють кристалічну (просторову) решітку. Точки в кристалічній решітці, які відповідають стійкому положенню рівноваги частинок, називають вузлами решітки. Важливо показати, що правильне розміщення вузлів решітки всередині кристала періодично повторюється. Це означає, що коли на якійсь прямій відстань між найближчими вузлами дорівнює а (мал. 2), то на відстані па від першого вузла на цій самій прямій у кристалічній решітці лежить такий самий п-й вузол. Правильне розміщення частинок у вузлах решітки кристала називають далеким порядком.



	Мал. 2.

	

Учні повинні зрозуміти, що головною ознакою твердого тіла є його кристалічна структура, або, інакше кажучи, у твердого тіла обов'язково повинен бути дальній порядок розміщення частинок. 

При викладанні будови кристалів потрібно пояснити характеру руху молекул у твердих тілах. Той факт, що в твердому тілі кожна частинка розміщена в певному місці – у вузлі кристалічної решітки, - не означає, що частинки в твердих тілах нерухомі. Частинки в твердому тілі також хаотично рухаються, а середня їх кінетична енергія визначає температуру тіла. Однак теплові рухи частинок твердого тіла не такі вільні, як у газах чи навіть у рідинах. У твердому тілі частинки здійснюють малі порівняно з відстанями між ними хаотичні коливання в усіх можливих площинах навколо вузлів кристалічної решітки. З підвищенням температури амплітуда цих коливань зростає.

За певних умов утворення кристалів упорядковане розміщення частинок веде до того, що зовнішня форма кристала буде правильною: кристал має форму багатогранника, обмеженого гладенькими плоскими гранями. Таку форму мають багато природних кристалів. Доцільно роздати учням зразки різних кристалів і запропонувати розглянути їх крізь лупу. Зразки кристалів можна отримати у шкільному кабінеті хімії та географії або ж виростити самотужки. Можна виростити кристали кухонної солі, гіпсу сульфату міді. Слід підкреслити, що в кристалів кожної речовини кути між гранями завжди мають цілком певне значення. Вимірявши ці кути в одного кристала, ми тим самим знатимемо, що всі інші кристали цієї ж речовини мають такі самі кути, хоч кристали можуть мати різний зовнішній вигляд.

Далі вводять поняття про монокристал і полікристалічну будову твердих тіл. Приклади монокристалів: гірський кришталь, алмаз, рубін, топаз, гранат. Приклади полікристалів: усі метали й сплави, більшість природних кристалічних тіл. Бажано, щоб учні розглянули крізь лупу полікристалічну структуру металу на свіжому зламі цинкової пластинки.

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. 


Додаток 1. План-конспект уроку. Вивчення теплового розширення тіл. 



Тема заняття: 

Вивчення теплового розширення тіл

Тип заняття:

Урок вивчення нового матеріалу.

Мета заняття:

		Встановити поняття коефіцієнта теплового розширення тіл та його взаємозв’язок із будовою речовини,

		Сформувати вміння та навики розв’язку задач та завдань на використання поняття теплового розширення твердих тіл.

Прилади та матеріали:

Лінійка, мікрометр. 

Основні етапи уроку.

Актуалізація опорних знань.

Розгляд нового матеріалу.

Закріплення нового матеріалу.

Висновки та результати уроку.

Основні етапи уроку.

Актуалізація опорних знань.

При проведенні актуалізації опорних знань із фізики потрібно нагадати основні поняття будови твердих речовин. Для цього можна використати наступні питання:

	Які види речовин вам відомі?

	Охарактеризуйте аморфний стан речовини.

	Охарактеризуйте кристалічний стан речовини.

	Які відмінності будови аморфних та кристалічних речовин?

	Які типи зв’язків ви знаєте. Дати їх характеристику.




Розгляд нового матеріалу.

Із підвищенням температури відбувається теплове розширення твердих тіл. Очевидно, що при нагріванні зростає амплітуда коливань атомів та молекул в вузлах кристалічної гратки і об’єм кристала збільшується при збільшенні середньої відстані між частинками. Кількісно теплове розширення характеризують за допомогою коефіцієнта лінійного  та об’ємного розширення :

,

.

Тоді для розмірів твердого тіла можна записати рівність: 





Для конструкційних твердих тіл можна приблизно вважати, що , а із значеннями величин коефіцієнта теплового розширення твердих тіл можна ознайомитися у таблиці  Додатку 3. рівність  найбільш точно справджується для аморфних тіл та кристалів кубічного виду. Для твердих тіл величина  порядку . Коефіцієнт лінійного розширення мало залежить від температури. Табличні значення володіють достатньою точністю в інтервалі температур від 0ºС до 100 ºС. Для більшості твердих тіл . Це цілком природно, оскільки більш інтенсивний тепловий рух ніби розштовхує частинки. Досить мале значення коефіцієнта розширення для плавленого кварцу та інвару. Ці матеріали широко використовують у точному приладобудуванні, коли потрібно уникнути зміни розмірів деталей при коливанні температур.

Для різних напрямків у кристалах відстані між структурними частинками  та сили взаємодії між ними не однакові. Отже теплове розширення у кристалах має анізотропний характер. Лінійні коефіцієнти розширення залежать від симетрії кристала. 

Закріплення нового матеріалу.

Для закріплення нового матеріалу можна запропонувати наступні питання:

Які пристрої називають дозиметрами?

Який поділ реєструючи пристроїв ви знаєте?

Які методи реєстрації радіоактивних випромінювань ви можете привести?

Охарактеризуйте сцинтиляційний  спосіб реєстрації радіоактивних випромінювань.

Охарактеризуйте іонізаційний  спосіб реєстрації радіоактивних випромінювань.

 Охарактеризуйте фотографічний  спосіб реєстрації радіоактивних випромінювань.

 Охарактеризуйте біологічний  спосіб реєстрації радіоактивних випромінювань.

 Охарактеризуйте калориметричний  спосіб реєстрації радіоактивних випромінювань.

 Охарактеризуйте хімічний  спосіб реєстрації радіоактивних випромінювань.

 Охарактеризуйте будову та призначення дозиметра-радіометра «Белла».

Охарактеризуйте будову та призначення радіометра ДП-5А.

Для закріплення матеріалу можна також запропонувати провести розв’язування наступних завдань, які стосуються питань теплового розширення твердих тіл: 

			Визначити різницю в кількостях обертів колеса електровоза літом при температурі  і взимку при температурі  на шляху пробігу L = 50 км, якщо радіус колеса при 0 °С R0 = 80 см, а коефіцієнт лінійного теплового розширення .

			Якої довжини при 0° С слід взяти мідну і залізну дротини,
щоб різниця їх довжин при довільних температурах залишалась не
змінною і дорівнювала 10 см? (,).

			До мідної дротини радіуса  підвішений вантаж, під
дією якого дротина набула такого самого видовження, як при нагріванні на . Знайти масу т вантажу.

			При нагріванні деякого металу від іь до 
його густина зменшилась в 1,027 раза. Знайти для цього металу середній коефіцієнт об'ємного теплового розширення.

		Годинник з металевим маятником поспішає на 8,0 с за добу
при температурі 3°С і відстає на 7,0 с за добу при температурі 23°С.
Знайти середній коефіцієнт лінійного теплового розширення матеріалу маятника і температуру, при якій годинник буде йти правильно.



Висновки та результати уроку.

Запропонувати висновки та результати уроку сформулювати учням.




Додаток 2. Лабораторна робота. Вимірювання коефіцієнта теплового розширення твердих тіл. 



Тема заняття: 

Вимірювання коефіцієнта теплового розширення твердих тіл. 

Тип заняття:

Лабораторна робота 

Мета заняття:

		Сформувати вміння та навики вимірювання коефіцієнта теплового розширення твердих тіл, 

		  Сформувати вміння та навики користування вимірювальними приладами. 

 

Прилади та матеріали:

Лінійка, нагрівник, прилад Менделєєва (металева трубка), мікрометр, колба скляна. 



Основні етапи уроку.

		Інструктаж по техніці безпеки.

		Вивчення методики роботи із установкою по  вимірюванню коефіцієнта теплового розширення твердих тіл.

		Проведення вимірів коефіцієнта теплового розширення твердих тіл.

		Проведення  необхідних розрахунків та визначення похибки вимірювань.



Основні етапи уроку.

Інструктаж по техніці безпеки.

При виконанні лабораторної роботи  передбачається користування нагрівними приладами та електронагрівниками. Тому потрібно провести інструктаж по техніці безпеки при поводженні на нагрівними приладами на електричним струмом. 

		 Розглянути прилад для вимірювання коефіцієнта теплового розширення твердих тіл. При відсутності приладу Менделєєва у шкільному кабінеті фізики його можна замінити за допомогою металевої трубки (алюміній, залізо, мідь) та мікрометра. Зовнішній вигляд приладу приведено на рисунку. 



Хід роботи.

Закріпити гвинтом правий кінець трубки, виміряти величину . 

Встановити стрілку індикатора (мікрометра) на нуль.

пропускати водяну пару із нагрівника – кип’ятильника  протягом 10 – 15 хвилин, поки не перестануть змінюватися покази термометрів на приладі. Середнє арифметичне показів термометрів взяти за кінцеву температуру :  . За температуру   взяти покази термометрів до початку досліду.

За допомогою індикатора (мікрометра) визначити видовження трубки .

Після закінчення досліду охолодити трубку та повторити дослід із іншим матеріалом трубки.

Провести необхідні розрахунки та зробити висновки.



		Провести виміри та розрахунки коефіцієнта теплового розширення твердого тіла.

		Сформулювати  висновки.



Додаткове завдання.

			Якої довжини при 0° С слід взяти мідну і залізну дротини,
щоб різниця їх довжин при довільних температурах залишалась не
змінною і дорівнювала 10 см? (,).

			До мідної дротини радіуса  підвішений вантаж, під
дією якого дротина набула такого самого видовження, як при нагріванні на . Знайти масу т вантажу.

			При нагріванні деякого металу від іь до 
його густина зменшилась в 1,027 раза. Знайти для цього металу середній коефіцієнт об'ємного теплового розширення.


Додаток 3. Таблиця значень температурного коефіцієнта лінійного розширення, .

Речовина





Алмаз 

0 – 78 

1,2

Алюмель 

20

13,7

Алюміній 

0 – 100 

23,1

Амінопласти 

20 

25 – 53 

Барій 

0 – 300 

19,45

Берилій 

0

10,5

Берилій 

1200

23,7 

Бор 

20

2,0

Бронза 

20

14,9 – 20,4

Ванадій 

20

7,8

Вініпласт 

20

40

Вісмут 

20 – 100 

13,45

Вольфрам 

0

4,3

Віск 

0 – 100 

240

Гадоліній 

30 – 950 

9,7

Галій 

20

18,1

Гафній 

0 – 200 

1,15

Германій 

- 225 

27

0,00

5,75

Гетинакс 

20

20

Гольмій 

40

9,5

Граніт 

20

8,3

Графіт 

0

7,1

Диспрозій 

-100 – 1000 

11,8

Європій 

-200 – 780 

26

Залізо 

0

0 – 700 

11,9

15,0

Золото 

20

14,5

Інвар 

1100

20,15

Індій 

20 - 100

30,5

Йод 

0

93

Іридій 

0

1750

6,5

10,76

Ітербій 

27 – 700 

29,9

Ітрій 

400

10,8




Кадмій 

0

29

Калій 

0

84

Кальцій 

30

22,5

Капрон 

 - 

100

Каучук 

20

66

Кварц

196 – 16 

0 - 1200

0,256

0,585

Кобальт

0

900

12

16,9

Ковар 

25 – 300 

5,0

Константан

20

14,4

Копель 

20

14

Кремній 

27

2,33

Лантан 

20 – 1100 

8,7 

Латунь 

20

17 – 22,7 

Лід 

- 10 – 0 

50,7

Літій 

20

56

Лютецій 

400

12,5

Магній 

20 – 100 

25,9




Список використаної літератури.



		Гончаренко С. У. Методика навчання фізики. Механіка. – К.: Освіта, 1986. – 208 с.

		 Гончаренко С. У. Методика навчання фізики. Молекулярна фізика. – К.: Освіта, 1986. – 208 с.

		Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.

		Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.   

		Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Шефер Н.И. Факультативный курс физики. 9 класс. 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1979. – 208 с.

		Курс фізики. Г.Ф. Бушок, Г.Ф. Півень. - К.:Вища школа, 1987.

		Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – 520 с.

		Практикум із фізики в середній школі. Посібник для вчителя. Під ред. Бурова О. В. – К.: радянська школа. 1990, 175 с.

		Програмно-методические материалы: Физика. 7-11 классы. / Сост. В.А. Коровин, Ю.И. Дик. – М.: Дрофа, 1998. – 224 с.

		Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 Т., Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 2003. - Т.3. – 387 с.  

		Физика и научно - технический прогресс.  Книга для учителя. Под ред. Глазунова А. Т. – М.: Просвещение, 1988, 124 с.

		Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1982. – 846 с. 

		Элементарный учебник физики. Т.2. Под ред. Г.С. Ландсберга. – М.: Наука, 1966. 



2