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 прогами 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 кабін5етів 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 відрізняють¬ся 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 мож¬на одержати в аморфному стані, при інших – в кристалічному. На¬приклад, 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 еле-ментів структури (атома, атомної групи, молекули, іона), тобто пев¬ний «візерунок» їх у трьох вимірах, який поширюється практично на нескінченне число періодів кристалічної решітки.
Ідеальні кристали та ідеальний газ – це два граничні стани ре-човини, які характеризуються впорядкованістю та хаотичністю. Вони реалізуються відповідно при низьких температурах і високих ти¬сках та при високих температурах і низьких тисках.
Серед кристалічних тіл слід розрізняти монокристали і полікри-стали. Монокристал – окремий, великих розмірів кристал. Монокристали твердих тіл можуть утво¬рюватись 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 монокрис¬талів виявляють безпосередньо за їхньою зовнішньою формою. Моно¬кристали 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 на¬лежать, зокрема, метали, для яких є характерними «металевий блиск» та ковкість.
Зауважимо, що поділ твердих тіл тільки на дві групи - криста¬лічні та аморфні – є недостатнім. Це випливає вже хоча б з факту іс¬нування 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 правиль¬ного порядку в розміщенні структурних частинок.
Аморфні тіла – ізотропні. Природна ізотропність їх зумовлена відсутністю самовільної орієнтації структурних частинок. Однією з найбільш важливих та характерних властивостей криста¬лів 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 взає-модії.
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 струк¬турними одиницями. Аналіз сил зв'язку дає змогу добути цінну ін¬формацію про енергію зв'язку та провести наближену класифікацію кристалів. Енергією зв'язку називають енергію, потрібну для роз¬щеплення твердого тіла на структурні одиниці залежно від його хі-мічного складу.
Загальною рисою всіх типів зв'язку є те, що природа сил зв’язку електрична. У твердих тілах розрізняють іонний, ковалентний ( атомний), металічний, ван-дер-ва-альсовий та водневий зв'язки. У іонних кристалах правильно чергу¬ються в розміщенні позитивні і негативні іони. Фізична природа іон¬ного 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 іон¬ні 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, кар-борунд, сульфід цинку, йод, сірка. До них належать і напівпровід¬ники. У вузлах кристалічної решітки таких кристалів розміщені ней¬тральні 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, нале¬жать одночасно обом ядрам, тобто усуспільнені. Між атомами, які колективізували свої зовнішні неспарені валентні електрони, вини¬кає значне електричне притягання. Звичайно, поряд з притяганням існує і взаємне кулонівське відштовхування між електронами і ядра¬ми атомів. Енергія електростатичного відштовхування значно менша від енергії притягання. Ковалентний зв'язок суттєво відрізняється від іонного тим, що число електронів, які здійснюють ковалентний зв'я¬зок, 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 ко¬валентного кристалу алмазу кожен атом утворює чотири ковалентні зв'язки, віддаючи для усуспільнення кожному з них один з своїх ва¬лентних електронів і одержуючи другий електрон від сусіднього ато¬ма.
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 силь¬ний. Тому ковалентні кристали мають велику енергію зв'язку поряд¬ку 3 – 5 еВ на один атом. Завдяки цьому кристали з ковалентними зв'язками мають високу механічну міцність і твердість, високу тем¬пературу плавлення, погану електропровід¬ність в широкому інтервалі температур.
Металічний зв'язок в основному характерний для речовин, побудованих з атомів одного елемента (наприклад, мідь, золото). Мета-лічні 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 кри¬сталу. Металічний зв'язок – це взаємодія сукупності позитивних іонів з колективізованими валентними електронами. Кінетично при¬тягуючись 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 здійснюєть¬ся 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 низь¬ка температура плавлення металів, ніж іонних і ковалентних кри¬сталів.
Висока концентрація вільних електронів у металів зумовлює їхню добру електро- та теплопровідність. Метали оптично непрозорі, ма¬ють велику відбивну здатність, тому для них характерний специфіч¬ний металічний блиск.
У вузлах кристалічних решіток молекулярних кристалів розміщені певним способом орієнтовані молекули. Характерною для моле¬кулярних 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 ор-ганічні кристали. Молекулярні неорганічні кристали трапляються рідко. До них належать речовини, молекули яких складаються з азо¬ту, фосфору, сірки та ін.
Молекулярні кристали за фізичними властивостями є ізолятора¬ми, мають низьку температуру плавлення, прозорі для широкого ін¬тервалу 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 пластич¬ні 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 озна¬ка твердого тіла – його міцність. Розірвати тіло на час¬тини 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 ті¬лами, а за внутрішньою будовою вони – рідини.
Властивості твердих тіл на основі молекулярно-кінетичної теорії пояснюють після розгляду процесу тверднення рідини. Учні вже зна¬ють, що газ перетворюється в рідину тоді, коли внаслі¬док зближення молекул густина речовини зростає при¬близно в 1000 раз, а відстані між молекулами зменшу¬ються в 10 разів. Відповідно до цього в багато тисяч раз зростають сили взаємодії між молекулами. Тут логічним є припущення, що при твердненні молекули зближують¬ся ще більше, а сили взаємодії зростають ще значніше. Однак досліди показують, що густина речовини в твер¬дому стані дуже мало відрізняється від густини тієї са¬мої речовини в рідкому стані. Більше того, буває й так, що густина в твердому стані менша, ніж у рідкому. На¬приклад, густина води дорівнює 1000 кг/м3, тоді як льо¬ду - 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 су¬сідніми дуже великі, внаслідок чого молекули рідини ко¬ливаються 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 повто¬рюється в усьому об'ємі рідини. Про таку структуру ка¬жуть, 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 рівно¬ваги, а розмістяться в них. Саме це й відбуватиметься при твердненні рідини.
Щоб усі молекули були в стані стійкої рівноваги, тре¬ба, 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, молеку¬ла 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 час¬тинки 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 крис¬талічну (просторову) решітку. Точки в кристалічній ре¬шітці, які відповідають стійкому положенню рівноваги частинок, називають вузлами решітки. Важливо пока¬зати, що правильне розміщення вузлів решітки всереди¬ні кристала періодично повторюється. Це означає, що коли на якійсь прямій відстань між найближчими вуз¬лами дорівнює а (мал. 2), то на відстані па від першо¬го вузла на цій самій прямій у кристалічній решітці ле¬жить 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 ка¬жучи, 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 кож¬на частинка розміщена в певному місці – у вузлі криста¬лічної решітки, - не означає, що частинки в твердих ті¬лах нерухомі. Частинки в твердому тілі також хаотично рухаються, а середня їх кінетична енергія визначає тем-пературу тіла. Однак теплові рухи частинок твердого ті¬ла не такі вільні, як у газах чи навіть у рідинах. У твер¬дому тілі частинки здійснюють малі порівняно з відста¬нями між ними хаотичні коливання в усіх можливих площинах навколо вузлів кристалічної решітки. З підви¬щенням температури амплітуда цих коливань зростає.
За певних умов утворення кристалів упорядковане розміщення частинок веде до того, що зовнішня форма кристала буде пра¬вильною: кристал має форму багатогранника, обмеженого гладенькими плоскими гранями. Таку форму мають ба¬гато природних кристалів. Доцільно роздати учням зраз¬ки 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 зна¬тимемо, що всі інші кристали цієї ж речовини мають та¬кі самі кути, хоч кристали можуть мати різний зовніш¬ній вигляд.
Далі вводять поняття про монокристал і полікристалічну будову твердих тіл. Приклади монокристалів: гір¬ський кришталь, алмаз, рубін, топаз, гранат. Приклади полікристалів: усі метали й сплави, більшість природних кристалічних тіл. Бажано, щоб учні розгля¬нули 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 мо¬же забезпечити. Для цього кристали вирощують в умо¬вах повної герметичності, старанно оберігають їх від пи¬линок і вологи, найменших коливань температури. Інак¬ше порушиться чітка схема розміщення атомів у криста¬лічній 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 монокриста¬лів, які дають можливість у лабораторних або промис¬лових умовах діставати зразки з лінійними розмірами в десятки сантиметрів. У світі налагоджено виробницт¬во штучних алмазів, рубінів, ізумрудів, сапфірів, аме¬тистів, кварцу тощо. В україні цим займається Інститут кристалохімії НАН України. Штучно вирощені алмази твердіші від природних; їх успішно застосовують у промисловос¬ті. Синтезовано також такі надтверді кристали, як бора¬зон (кубічний нітрид бору), кубоніт, фіаніт тощо, які іноді використовуються у якості дорогоцінних у ювелірній промисловості.
Найхарактернішою особливістю монокристалів є ані¬зотропія властивостей – їх залежність від певного на¬пряму. На уроці слід продемонструвати хоча б один з випадків анізотропії, зокрема анізотропію міцності, оскільки вона притаманна майже всім кристалам. Роз¬колюючи досить великі кубічні кристали кухонної солі, дістають дрібні осколки переважно у вигляді прямокут¬них паралелепіпедів. Це означає, що в напрямах, пара¬лельних граням, міцність кристала кухонної солі значно нижча, ніж у діагональних та інших напрямах. Слюду легко розщепити на пластинки, але важко розірвати ок¬ремі пластинки в напрямі, перпендикулярному до пластинки. Це також свідчить про неоднакову міцність слю¬ди в різних напрямах. Бажано, щоб ці досліди зміг ви¬конати кожний учень на своєму робочому столі. На під¬ставі дослідів роблять висновок, що в різних напрямах міцність кристалів неоднакова. Це прояв анізотропії ме¬ханічних властивостей кристала.
Анізотропію теплопровідності ілюструють плавлен¬ням парафіну або воску, нанесених на поверхню плас¬тинки, вирізаної з кристала кварцу або гіпсу. Якщо торкнутись гарячою голкою до кварцової або гіпсової пластинок, то поверхня, на якій плавиться парафін, ма¬тиме 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 положен¬ня 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. Ані¬зотропія 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 полі-кристали 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, па¬рафін, 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 ріди¬ни). У випадку короткочасної дії (удару) вони поводять¬ся 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 плавлен¬ня і тверднення. З твердого стану в рідкий вони перехо¬дять, 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 розмі¬щення частинок має близький порядок. Частинки аморф¬них тіл у твердому стані розміщені так само хаотично, як і в рідкому. Рідина й аморфне тіло відрізняються од-не від одного лише ступенем рухливості частинок - ча¬сом їхнього «осілого життя». Під час тверднення аморф¬ної речовини кінетична енергія хаотичних рухів частинок поступово зменшується, але їхня потенціальна енер¬гія стрибкоподібно не зменшується. Внутрішня енергія речовини в аморфному стані трохи більша, ніж у крис¬талічному, бо впорядкованому розміщенню середніх по¬ложень частинок у положеннях рівноваги відповідає найменша потенціальна енергія частинок. Тому можли¬вий самовільний перехід речовини з аморфного стану в кристалічний.
Учні мають бути підведені до розуміння того, що час¬тинки аморфних тіл у твердому стані коливаються, ана¬логічно частинкам у рідинах, навколо хаотично розміще¬них вузлів. Однак частинки аморфного тіла з одного положення рівноваги в інше переміщаються через такі ве¬ликі проміжки часу, що практично аморфні тіла є твер¬дими тілами.
Після цього можна пояснити різницю в характері плавлення кристалічних і аморфних речовий. Для пере¬творення речовини з твердого кристалічного стану в рід¬кий 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 змі¬нюється характер хаотичного руху частинок кристаліч¬ного тіла. Частішають їх стрибки з одного положення рівноваги в інше і порушується порядок розміщення. Такий процес саме і є переходом тіла з кристалічного ста¬ну в рідкий (аморфний). При переході речовини з крис¬талічного стану в рідкий стрибкоподібно збільшується потенціальна енергія атомів і молекул.
Га 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
