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.

1.1.  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.

1.2.  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 1.  Дослідження одного з ізопроцесів 2.  Вимірювання відносної вологості повітря Демонстрації 1.  Властивості насиченої пари. 2.  Кипіння води за зниженого тиску. 3.  Будова і принцип дії психрометра. 4.  Поверхневий натяг рідини. 5.  Скорочення поверхні мильних плівок. 6.  Капілярне піднімання рідини. 7.  Пружна і залишкова деформації. 8.  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 1.  Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл. (1 год). Демонстрації 1.  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.

2.1.  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.

2.2.  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.