УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕБНОЙ ДЕМОНСТРАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
DEVICE FOR STUDY DEMONSTRATION OF PHYSICAL AND CHEMICAL PHENOMENA

Изобретение относится к учебной демонстрационной технике и может быть использовано в средних и высших образовательных заведениях для изучения вопросов взаимосвязи между внутренним атомно-молекулярным строением вещества и его макроскопическими свойствами.
В курсе физики известно устройство, применяемое при первоначальном ознакомлении учащихся с атомным строением вещества, состоящее из основания, вертикальной стойки с верхним держателем, на котором с помощью нити закреплен груз, являющийся испытуемым телом в виде стального шара, а нижний держатель содержит кольцо, внутренний диаметр которого близок по величине диаметру шара (А.В.Перышкин. Физика. Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа, 2003. стр.16, рис.16).
При комнатной температуре шар, изготовленный из металла, проходит свободно через кольцо, а после нагрева (например, в пламени спиртовки) застревает в кольце. Затем, спустя некоторое время, когда шар охладится до комнатной температуры, он снова начинает свободно проходить через кольцо. Этот опыт демонстрирует возможность уменьшения и увеличения объема тел, показывая тем самым, что вещество состоит из отдельных частиц, между которыми есть промежутки.
Недостатком этого устройства является малое, незаметное на глаз изменение размеров шара, поэтому приходиться использовать кольцо с калиброванным отверстием и лишь по косвенному признаку - характеру взаимодействия шара с кольцом - возможно делать вывод об этих изменениях. Другим недостатком является значительная длительность процесса, что не способствует концентрации внимания учащихся на сущности явления.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства для наглядной демонстрации глубокой связи между внутренним атомно-молекулярным строением вещества и его внешне проявляемыми свойствами.
Техническим результатом, который может быть получен при использовании предлагаемого изобретения, является получение учащимися наглядного представления о взаимосвязи между взаимным расположением атомов вещества и его внешними параметрами, в частности геометрическими формами, а также закрепление понятия о взаимном превращении видов энергии и ее сохранении, о тепловом воздействии электрического тока в проводниках, о механизмах передачи тепла различными способами, и др.
Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном устройстве, предлагаемый прибор содержит основание, вертикальную стойку, держатель, на котором закреплено испытуемое тело, которое периодически нагревается выше комнатной температуры и самопроизвольно охлаждается до нее.
В отличие от известного устройства, в предлагаемом устройстве испытуемое тело выполнено в виде геликоидальной пружины, изготовленной из сплава с эффектом памяти формы, к нижнему концу пружины подвешен груз в виде разновеса, а верхний ее конец закреплен на держателе, к концам пружины подведены тоководы, подключенные к источнику электропитания.
В качестве вспомогательной детали между держателем и грузом размещают плоскостную дискостержневую модель кристаллической структуры в виде шарнирно соединенных между собой стержней и дисков, установленных в шарнирных узлах. Кроме того, прибор снабжен светильником с отражателем направленного света, а также тепловентилятором.
Достижение технического результата основано на способности испытуемого рабочего тела, изготовленного из сплава с эффектом памяти формы, переводить последовательно электрическую энергию в тепловую, тепловую - в энергию химических связей, химическую энергию - в механическую и упругую без промежуточных передающих механизмов, а также на свойстве шарнирной системы в виде пантографа менять форму, переводя каждое из своих звеньев, например, из квадратной конфигурации в косоугольную, учитывая при этом общую длину, на величину, пропорциональную числу звеньев. Кроме того, используется свойство металла поглощать тепло, передаваемое путем излучения, конвекции и теплопроводности.
Из другой области техники известна установка для термомеханической обработки элементов, изготовляемых из сплава с эффектом памяти формы (патент US №3948688, Кл C22F 1/10, 06.04.1976 г.). Установка содержит закрепленный одним концом на балке термоэлемент, изготовленный из сплава с эффектом памяти формы, в виде проволочного стержня, груз, закрепленный на другом конце термоэлемента, к краям которого подведены тоководы, соединенные с источником электропитания. При подаче напряжения от импульсного генератора по проволочному элементу начинает течь ток. Величина тока подобрана таким образом, чтобы выделяющейся по закону Джоуля-Ленца теплоты было достаточно нагреть элемент до определенной температуры. При нагреве предварительно растянутый элемент под действием эффекта памяти формы сокращается в длине, поднимая груз на определенную высоту. При снятии напряжения элемент охлаждается и, под действием тяжести груза, вновь растягивается. Затем этот цикл может многократно повторяться. С тем же результатом нагрев элемента может быть осуществлен другим образом, например с помощью тепловентилятора (US №3748197, Кл C22F 1/10, 24.07.1973 г.).
Основным недостатком этих устройств с точки зрения наглядности процесса является небольшая величина перемещения груза при приемлемых для учебной демонстрации габаритах прибора. Это является следствием характера назначения этих установок - проведения термомеханической обработки и решения коммутационных задач. Другим недостатком является использование генератора импульсов тока, что, во-первых, усложняет установку, а во-вторых, требует проведения дополнительных опытно-конструкторских работ по подбору длительности импульсов и характеру их чередования и мощности, т.к. все это зависит от электрофизических и геометрических данных элемента, а также от температуры окружающей среды.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с устройствами по патентам US №3748197 и №3948688 показал, что предлагаемое устройство проявляет новые дидактические качества.
На фиг.1 показано схематическое изображение устройства.
На фиг.2. показано изменение геометрии плоскостной дискостержневой модели кристаллической структуры при соответствующем изменении длины пружины.
Устройство содержит основание 1, вертикальную стойку 2, горизонтальный держатель 3, испытуемое тело в виде пружины 4, верхний конец которой неподвижно закреплен на держателе 3, а свободный конец соединен с грузом 5, который может перемещаться поступательно вверх - вниз между позициями, определяемыми в совокупности микропереключателями (МП) 6, 7 и ограничительным рычагом 8. К концам пружины 4 подведены тоководы 9, соединенные с МП 6, 7 и общим источником электропитания. На держателе 3 дополнительно закреплен одним концом шарнир 10 в виде пантографа, состоящего из двух-трех одинаковых звеньев, который другим концом соединен с грузом 5. В шарнирных узлах установлены диски, изображающие атомы вещества, находящиеся в узлах моделируемой кристаллической структуры, элементная плоскостная ячейка которой состоит из одного звена пантографа. Кроме того, в комплект устройства входит тепловентилятор и светильник направленного света (не показаны).
Устройство работает следующим образом. Пружина 4 изготовлена из кристаллического вещества, которое претерпевает аллотропное превращение вблизи комнатной температуры, несколько выше ее. Точки превращения на температурной шкале подобраны так, что при комнатной температуре взаимное упорядоченное расположение атомов вещества пружины имеет один вид, а при повышенных температурах (около 70°С) после аллотропного перехода - другой. При этом изменение взаимного расположения атомов происходит таким образом, что пружина в нагретом состоянии сжимается, а в охлажденном растягивается. Нагрев пружины происходит при пропускании через нее электрического тока, а охлаждение - за счет температуры окружающего воздуха после отключения тока. Устройство может действовать в автоматическом циклическом режиме: при пропускании тока через пружину 4 она нагревается и, сжимаясь, поднимает груз 5 до высоты, ограниченной рычагом 8, который под воздействием поднимающегося груза поворачивается и своим коротким плечом соприкасается с МП 7, который срабатывает, отключая ток, идущий через пружину 4, после чего она начинает охлаждаться, и при температуре обратного аллотропного превращения под воздействием груза 5 и в силу соответствующей перестройки взаимного расположения атомов пружина начинает растягиваться до тех пор, пока груз 5, висящий на ней, не достигнет МП 6, который, срабатывая, включает ток, идущий через пружину 4, вследствие чего она начинает нагреваться и при температуре прямого аллотропного превращения сокращается, вновь поднимая груз до точки соприкосновения его с рычагом 8, после чего описанный цикл повторяется. Вместе с движением груза 5 происходит перемещение подвижного (нижнего) конца шарнира 10, при этом все его звенья приходят в движение и их геометрия синхронно меняется от одной конфигурации (например, прямоугольной, фиг.2а) до другой (косоугольной, фиг.2б) при изменении положения груза 5 и при соответствующем изменении длины пружины 4. Работа этого узла устройства демонстрирует качественную картину изменения взаимного положения атомов вещества при обратимом аллотропном превращении, связанном с дисторсией элементарных ячеек кристалла (в данном случае звеньев шарнира), при соответствующем обратимом изменении геометрической формы всего тела (пружины), известном в литературе как эффект памяти формы.
Основой эффекта памяти формы в металлах, в его наиболее известном и практически значимом виде, является фазовое (мартенситное) превращение, в ходе которого происходит изменение в порядке расположения атомов металла. Атомы в новых термодинамических условиях располагаются таким образом, что соседи не меняются, но между ними меняются расстояния и ориентационные углы. Этот процесс носит сложный объемный характер, и соответствующие изменения в расположении атомов происходят в трехмерном пространстве с образованием множества межфазных и междоменных границ с той или иной степенью когерентности и подвижности. Вместе с тем, на уровне элементарных актов этого процесса картина явления упрощается. Если металл в исходном термодинамическом состоянии имеет, например, простую кубическую решетку, его элементарной ячейкой является куб, в вершинах которого расположены атомы, составляющие данный металл. При изменении термодинамических условий расстояния и ориентационные углы между атомами меняются таким образом, что куб превращается в некий параллелепипед, объем которого мало отличается от объема исходного куба, но длинная сторона параллелепипеда может быть больше стороны куба на десятки процентов. Если термодинамические параметры будут приведены к исходным значениям, атомы вернутся в прежнее положение и кубическая структура восстановится. В металлах с эффектом памяти формы этот процесс может быть воспроизведен многократно. В нашем случае изменение формы и ее восстановление в макроскопических масштабах всего образца обусловлено обратимым изменением элементарной ячейки образца из куба в параллелепипед и обратно. Описанный механизм эффекта можно представить в еще более простом виде, если рассмотреть процесс в двухмерном пространстве, т.е. в определенной плоскости сечения кристаллической решетки металла. В случае простой кубической решетки сечение может быть подобрано таким образом, что на плоскости мы будем наблюдать превращение элементарной ячейки в виде квадрата в ячейку в виде параллелограмма и обратно. Таким образом, в изображении на плоскости эффект памяти формы представляет собой в общем случае попеременно укорочение и удлинение элементарной единицы вещества в виде полоски, в углах которой расположены атомы. В предлагаемом устройстве роль такой полоски выполняет звено шарнира 10, которое при незначительном изменении своей конфигурации демонстрирует возможность получения большого макроскопического удлинения общей цепочки, состоящей из множества звеньев, т.е. проявления эффекта памяти формы. Любая модель имеет некоторые ограничения по отношению к реальному процессу. В данном случае конструктивные особенности шарнира в виде пантографа не позволяют изменить расстояния между всеми атомами ячейки, что, в общем случае, происходит при реальных аллотропных переходах. Однако этот недостаток не является принципиальным, т.к. в частном случае при соответствующем наборе сорта атомов и соответствующих функциях межатомного взаимодействия изменение расстояния между определенными атомами может быть пренебрежимо малым.
Суммарный набор длины образца зависит от степени ориентации длинных сторон отдельных элементарных ячеек, когда ориентирующего фактора нет, длина стороны ячеек располагается хаотично и суммарное изменение длины образца равно нулю. Такое состояние образца в структурном отношении принято называть вырожденным. Вырождение снижается или полностью снимается, если будет действовать какой-либо ориентирующий фактор. В нашем случае таким фактором является внешнее одноосное напряжение в виде груза 5, постоянно действующего на пружину 4 и на шарнир 10. В результате действия приложенной силы длинные стороны элементарных ячеек вещества пружины и звеньев шарнира 10 ориентируются вдоль этой силы, обеспечивая общее удлинение пружины и шарнира. При обратном процессе форма элементарных ячеек и звеньев восстанавливается, демонстрируя эффект памяти формы.
Кроме описанного выше варианта работа устройства может также осуществляться путем нагрева пружины за счет теплопередачи излучением, конвекцией и теплопроводностью. Передачу энергии излучением обеспечивают с помощью электрической лампы с отражателем, направляя пучок света на пружину; конвективную теплопередачу осуществляют тепловентилятором, а тепло, передаваемое за счет теплопроводности, производят касанием пружины губкой, смоченной в теплой воде.
Применение устройства в учебном процессе позволяет демонстрировать процессы и явления по нескольким разделам. К ним относятся: закон сохранения и превращения энергии - электрическая энергия посредством теплового действия электрического тока в металлах (Закон Джоуля-Ленца) переходит в тепловую, тепло, выделяющееся в рабочем теле, вызывает сокращение пружины (в результате аллотропной реакции), которая поднимает груз, увеличивая его потенциальную энергию, т.е. тепловая энергия переходит в механическую энергию груза и упругую энергию пружины через химическую энергию при изменении характера межатомных связей.
Далее, действие устройства дает наглядное представление такому широко распространенному явлению в природе, как аллотропия. Например, около трети всех металлов испытывают аллотропные превращения, а такое вещество, как вода в твердом стоянии (лед), имеет семь(!) аллотропных модификаций. Учащиеся с этим явлением впервые знакомятся в школьных курсах по физике и химии, когда рассматривают существование модификаций углерода и олова в виде алмаза-графита-сажи и белого олова-серого олова соответственно. Как правило, это знакомство не оставляет четких представлений у учащихся об этом явлении, что связано с трудностью перестройки мышления при переходе с чувственного восприятия масштаба предметов на уровень микроскопических размеров - уровень межатомных взаимодействий. Кроме того, в распоряжении школьных кабинетов по физике и химии нет доступных средств (в виде электронных и ионных микроскопов) для наглядных демонстраций перестройки взаимного расположения атомов вещества.
Предлагаемое устройство позволяет запоминающимся образом продемонстрировать связь перестройки взаимного расположения атомов вещества с изменением внешней геометрии тела, состоящего из этого вещества. Это способствует более прочному и глубокому осознанию атомной основы строения вещества Вселенной. В настоящее время это обстоятельство становится особенно важным в связи с наступлением новой эры человечества, связанной с нанотехнологиями, - получением новых веществ путем их поатомного конструирования.
Устройство дополнительно может быть снабжено узлом, способствующим лучшей концентрации внимания учащихся на проводимых опытах. Узел представляет собой проволоку, установленную между двумя опорами, к которым подведены тоководы. В исходном состоянии проволока имеет некую конфигурацию в виде звездочки, спирали и т.п. Перед началом описанных выше демонстрационных опытов преподаватель обращает внимание учащихся на фигуру, состоящую из расположенной между опорами проволоки, затем легким нажимом руки растягивает проволоку до исчезновения контуров фигуры, состоящей из этой проволоки. После чего сообщает о том, что на концы бесформенной теперь проволоки можно подать электрический ток, который ее нагреет, и она вновь обретет прежние очертания. За этими словами следует включение кнопкой электрического тока, и учащиеся наблюдают, как из бесформенной проволоки образуется четко очерченная фигура. Этот методический прием, как показывает опыт, производит сильное впечатление, сродни фокусу, привлекает внимание, что способствует сосредоточению учащихся на последующих опытах.
Предлагаемое устройство демонстрирует явления, связанные с атомно-молекулярным строением вещества. Известно высказывание ведущих ученых о том, что если бы в результате мировой катастрофы погибли все накопленные научные знания, то наибольшую информационную пользу для будущих поколений принесла бы такая фраза: "…все тела состоят из атомов". Образовательная практика подтверждает эту истину - первые главы общих курсов по физике и химии в школах и вузах, как правило, посвящены атомно-молекулярному строению вещества. Значение формирования у будущих специалистов "атомно-молекулярного" мышления многократно возрастает в связи с теми перспективами, которые открываются с возникновением наноструктурных технологий - способом поатомного конструирования с целью получения веществ с неизвестными ранее свойствами.
В результате использования предлагаемого устройства учащиеся получат наглядное и доступное для понимания представление об атомно-молекулярном строении веществ; принципе взаимного превращения и сохранения энергии; основах термодинамики.
Устройство может быть полезно на занятиях по химии. Его работа иллюстрирует влияние изменения характера химических связей между атомами на свойства вещества, состоящего из этих атомов.
С точки зрения изучения технических дисциплин устройство может быть полезно при освоении следующих тем: принцип действия тепловых машин с твердотельным рабочим веществом; изучения цикла Карно и КПД тепловых машин; новые виды приводной техники без вариаторов и редукторов; автономные (без подвода энергии) системы регулирования температуры, влажности и солнечной радиации, искусственные мускулы в робототехнике: автономные средства защиты и контроля технических систем и др. Для наглядного представления об удельной работоспособности элементов из металла с эффектом памяти формы устройство может быть укомплектовано десятью-пятнадцатью (один на пару) стержнями, резко меняющими свою жесткость при попеременном опускании их в сосуд с теплой водой и водой комнатной температуры. Этот опыт, в том числе, убедительно демонстрирует возможности нанотехнологий: уже незначительное изменение во взаимном расположении атомов, из которых состоят испытуемые стержни, в результате их нагрева и охлаждения приводит к существенному изменению их физических свойств.
6
Рабочий элемент прибора может быть изготовлен из сплава на основе никелида титана, имеющего интервал аллотропного превращения в диапазоне от +30 до +70°С. Этим требованиям соответствует сплав, имеющий состав в атомных процентах: Ti-49Ni-1Cu, способный совершать около 10 рабочих циклов.
Преимущество изобретения состоит в том, что использование в качестве термодинамического рабочего тела устройства геликоидальной пружины, изготовленной из металла с эффектом памяти формы, а также дискостержневой динамической модели кристаллической структуры позволяет повысить наглядность явлений, связанных с изменением взаимного положения атомов вещества, обеспечивает простоту конструкции устройства, большой срок его службы. Устройство предназначено для ведения учебного процесса в школах, техникумах и вузах.