Открытый урок физики по теме: "Тепловое расширение твердых тел и жидкостей"

Типология урока: урок изучения новых знаний и способов действий

Вид урока: комбинированный

Цели урока:

• дидактические: объяснить физическую природу теплового расширения тел; научить студентов производить расчеты линейных и объемных изменений твердых и жидких тел при изменении их температуры;
• воспитательные: совершенствовать умения студентов применять полученные теоретические знания к решению практических задач; вызвать интерес к изучаемому процессу;
• развивающие: развивать у студентов мышление использования и значения теплового расширения в природе и технике; уметь объяснять механизм теплового расширения тел на основе молекулярно-кинетической теории.

План урока

1. Организация начала урока
2. Повторение изученного материала
3. Изучение нового материала
4. Промежуточное закрепление материала
5. Изучение нового материала (продолжение)Приложение 1
6. Закрепление изученного материала Приложение 2,3
7. Задание на дом Приложение 4

Методические рекомендации

План изучения темы.

1. Расширение тел при нагревании. Примеры расширения тел. Определение теплового расширения тел.
2. Линейное расширение твердых тел. Определение коэффициента линейного расширения и его формула.
3. Вывод формул:

а) зависимость длины твердого тела от температуры;
б) длина тела при любой температуре.

4. Объемное расширение твердых тел. Определение коэффициента объемного расширения и его формула.
5. Вывод формул:

а) зависимость объема твердого тела от температуры;
б) объем тела при любой температуре.

6. Связь между коэффициентами линейного и объемного расширения твердых тел. Вывод формулы ?=3.
7. Изменение плотности тел при изменении температуры.
8. Значение теплового расширения тел в природе и технике.
9. Тепловое расширение жидкостей.
10. Особенности теплового расширения воды.

Оборудование: шар с кольцом; биметаллическая пластинка; тепловое реле; колба с резиновой и стеклянной трубкой, вставленной в пробку; Г – обрезанная стеклянная трубка с каплей воды; неокрашенная вода; электрическая плитка; трансформатор; проволока.

Демонстрации:

1. Тепловое расширение твердых тел.
2. Тепловое расширение жидкостей.
3. Действие и назначение биметаллического теплового регулятора.

Сообщение:

Особенности теплового расширения воды.

Мотивация познавательной деятельности студентов

Общеизвестно, что вещество обычно расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, т.е. происходит тепловая деформация тела под действием молекулярных сил в процессе нагревания и охлаждения. Это явление объясняется тем, что повышение температуры связанно с увеличением скорости движения молекул, а это ведет к увеличению межмолекулярных расстояний и в свою очередь, к расширению тела.

Тепловое расширение надо обязательно учитывать при термообработке и при термическом способе изготовления деталей и оборудования, при строительстве машин, трубопроводов, электрических линий, мостов, зданий, подверженных температурным изменениям.

ХОД ЗАНЯТИЯ

I. Организация начала урока

Приветствие, формулировка темы, цели занятия, указание на предстоящий объем работы. Мотивация познавательной деятельности.

II. Повторение изученного материала

1. Проверка домашнего задания

Проверить решение качественных физических задач по теме “Твердые тела и их свойства” (фронтальный опрос студентов).

2. Подготовка к восприятию нового материала

1. Повторить формулы из курса математики (а+в)³, а³+в³;
2. Повторить тему “Тепловое расширение газов” (закон Гей-Люссака)
3. Повторить тему “Деформация твердых тел”.

III. Изучение нового материала

1. Студентам предлагается ответить на вопросы:
1. Что происходит с телами при охлаждении и расширении?
2. Почему тела расширяются? Что изменяется у тела в процессе расширения?

В ходе обсуждения вводится понятие теплового расширения тел, примеры расширения тел, виды теплового расширения.

Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.

При расширении тела происходит увеличение его объема, и говорят об объемном расширении тела. Но иногда нас интересует лишь изменение одного размера, например длины железнодорожных рельсов или металлического стержня. В том случае говорят о линейном расширении. Конструкторы автомобилей интересуются расширением поверхности листов металла, применяемых при постройке машины. Здесь вопрос стоит о поверхностном расширении.

Постановка опытов:

1. расширение жидкостей при нагревании (увеличение уровня воды в колбе с трубкой);
2. расширение твердых тел при нагревании (шар с кольцом, увеличение длины натянутых проводов);
3. действие биметаллического регулятора (теплового реле).

Вопрос: одинаково ли расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов?

Ответ: нет, так как у разных веществ молекулы имеют разные массы. Изменение температуры на одно то же число градусов характеризует одинаковую среднюю квадратичную скорость молекул. Е_к= молекул с меньшей массой будет меньше, чем молекул с большой массой. Поэтому межмолекулярные пространства различных веществ изменяются различно при одинаковой температуре, что и приводит к неодинаковому расширению.

2. Рассмотрим линейное расширение твердых тел и его особенности

Расширение твердого тела вдоль одного его измерения называется линейным.

Для характеристики степени линейного расширения различных твердых тел вводят понятие коэффициента линейного расширения.

Величина, показывающая, на какую долю начальной длины, взятой при 0⁰С, увеличивается длина тела от нагревания его на 1⁰С, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается через .

[]  =К^-1= или [ ] =⁰С^-1=

Введем обозначения: t₀ – начальная температура; t – конечная температура; l₀ – длина тела при t₀=0⁰С; l_t – длина тела при t⁰С; l – изменение длины тела; t – изменение температуры.

Допустим, что произошло нагревание провода на 60⁰С. В начале провод имел длину 100 см, а при нагревании его длина увеличилась на 0,24 см.

Отсюда, можно вычислить увеличение длины провода при нагревании на 1⁰С.

Общее удлинение (0,024 см) разделим на длину провода и изменение температуры: =0,000004⁰С^-1=(4*10^-6)⁰С^-1.

Тогда = или = (1)

Для случая, когда начальная температура t₀=0⁰C t=t-t₀=t и = (2)

Обратить внимание студентов на то, что - очень малая величина и находится по таблице.

3. а) Для вычисления длины тела в зависимости от температуры t преобразуем формулу (2)

l_t-l₀= l₀t l_t=l₀+ l₀t l_t=l₀(1+ t)

Двучлен (1+t) называется биномом линейного расширения. Он показывает, во сколько раз увеличилась длина тела при нагревании его от 0⁰ до t⁰С.

Итак, конечная длина тела равна начальной длине, умноженной на бином линейного расширения.

Формула l_t=l₀(1+? t) является приближенной и ею можно пользоваться при не очень больших температурах (200⁰С-300⁰С).

При больших изменениях температуры эту формулу применять нельзя.

б) Часто при решении задач пользуются другой приближенной формулой, которая упрощает вычисления. Например, если необходимо вычислить длину тела при нагревании от температуры t₁ до температуры t₂, то используют формулу:

l₂~ l₁ [1+ (t₂-t₁)] , коэффициент линейного расширения ~

IV. Промежуточное закрепление материала

Отправимся гулять вдоль полотна железной дороги. Если погода холодная, то мы заметим, что концы двух смежных рельсов отделены друг от друга промежутками 0,6-1,2 см, в жаркую погоду эти концы почти сходятся вплотную. Отсюда вывод, что рельсы при нагревании расширяются, сжимаются при охлаждении. Следовательно, если дорога строилась зимой, то надо было оставить некоторый запас, чтобы дать рельсам свободно расширяться в жаркое время года. Возникает вопрос, какой запас требуется оставить для этого расширения?

Задача.

Допустим, что в нашей местности изменение температуры в году бывает от -30⁰С до -35⁰С и длина рельса 12,5 м. Какой зазор надо оставлять между рельсами?

Дано:	Решение:
l0=12,5 м t1=-300	= l=l0? (t2-t1)
t2=-350С	t=t2-t1
ст =12*10-6	t=650C l=12,5*0,000012*65=0,00975 м
l=?

Ответ: т.о. надо оставить зазор в 1 см, если укладка рельсов идет при низкой температуре или укладывать рельсы друг с другом в стык, если рельсы укладываются в самую жаркую погоду.

V. Изучения нового материала (продолжение)

4. Рассмотрим объемное расширение твердых тел и его особенности

Увеличение объема тел при нагревании называется объемным расширением.

Объемное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения и обозначается через ? .

Задание: по аналогии с линейным расширением дать определение коэффициента объемного расширения и вывести формулу =.

Студенты самостоятельно реализуют решение этого вопроса и вводят обозначения: V₀ – начальный объем при 0⁰С; V_t – конечный объем при t⁰С; V – изменение объема тела; t₀ – начальная температура; t – конечная температура.

Величина, показывающая, на какую долю начального объема, взятого при 0⁰С, увеличивается объем тела от нагревания на 1⁰С, называется коэффициентом объемного расширения.

а) Найдем зависимость объема твердого тела от температуры. Из формулы = найдем конечный объем V_t.

V_t-V₀= V₀t, V_t=V₀+ V₀t, V_t=V₀(1+ t).

Двучлен (1+? t) называется биномом объемного расширения. Он показывает, во сколько раз увеличился объем тела при нагревании его от 0 до t⁰С.

Итак, конечный объем тела равен начальному объему, умноженному на бином объемного расширения.

Если известен объем тела V₁ при температуре t₁, то объем V₂ при температуре t₂ можно находить по приближенной формуле V₂~V₁ [1+ *(t₂-t₁] , а коэффициент объемного расширения ~ .

Вывод и запись формул реализуется студентами самостоятельно.

6. Значение коэффициента объемного расширения ? очень малая величина.

Однако, если мы обратимся к таблицам, то увидим, что значении ? для твердых тел там нет. Оказывается между коэффициентами линейного и объемного расширения существует зависимость ? =3? .

Выведем это соотношение.

Допустим, что мы имеем кубик, длина ребра которого при 0⁰С равна 1 см. нагреем кубик на 1⁰С, тогда длина его ребра будет l_t=1+? *1⁰=1+? . Объем нагретого кубика V_t=(1+? )³. С другой стороны, объем этого же кубика можно вычислить по формуле V_t=1+? *1⁰=1+? .

Из последних равенств получим 1+? =(1+? )³, отсюда 1+? =1+3? +3? ²+? ³.

Так как числовые значения ? очень малы – порядка миллионных долей, то 3? ² и ?³ подавно являются величинами чрезвычайно малыми. На этом основании, пренебрегая величинами 3? ² и ? ³, получим, что ? =3? .

Коэффициент объемного расширения твердого тела равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

7. Выясним как изменяется плотность тел при изменении температуры. Плотность тела при 0⁰С.

p, откуда m=p₀*V₀, где m – масса тела; V₀ – объём при 0⁰С;

m = const при изменении температуры, но объём тела изменяется, значит меняется и плотность.

На этом основании можно написать, что плотность тела при температуре t = 0⁰C , т.к. V_t = V₀(1+? t), то .

При расчётах нужно учитывать, что в таблицах указывается плотность вещества при 0⁰С. Плотность при других температурах, вычисляется по формуле? _t.

При нагревании p_t – уменьшается, при охлаждении p_t – увеличивается.

1. Рассказать об устройстве, назначении и принципе действия биметаллического теплового реле, продемонстрировать его действия. Привести примеры о полезных и вредных действиях тепловой деформации в технике, транспорте, строительстве и т.п.
2. Кратко рассказать об особенностях теплового расширения жидкостей.
3. Сообщение “Особенности теплового расширения воды”.

VI. Закрепление изученного материала.

1. Проводится краткий опрос-беседа для более глубокого понимания и закрепления изученного материала по вопросам.
2. Самостоятельная работа студентов. Решить задачи по теме.

ЛИТЕРАТУРА

1. П.И. Самойленко, А.В. Сергеев. Физика. –М.: 2002.
2. А.А. Пинский, Г.Ю. Граковский. Физика. –М.: 2002.
3. В.Ф. Дмитриева. Физика.-М.: 2000.
4. Г.И. Рябоводов, П.И. Самойленко, Е.И. Огородникова. Планирование учебного процесса по физике.-М.: Высшая школа, 1988.
5. А.А. Гладкова. Сборник задач и вопросов для ССУЗ по физике. -М.: Наука. 1996.