Цели урока.
- Изучение механических свойств твердых тел (на примере древесины).
- Сопоставление свойств материала при различных физических условиях строительного производства.
Задачи образовательные и воспитательные.
- Раскрыть связь физики с техникой и спецификой строительной профессии, показать практическую значимость физических знаний.
- Формирование информационной компетентности.
- Развитие творческой активности учащихся, их самостоятельности и умения выступать перед аудиторией, дискутировать, отстаивать свои взгляды и интересы.
- Развитие умений работы с лабораторным учебным и специальным оборудованием, умений планировать эксперимент, прогнозировать результаты своей деятельности, делать выводы.
Оборудование кабинета.
- Таблица “Текстура различных пород деревьев”.
- Таблица плотностей различных пород древесины.
- Образцы пород разной древесины (сосна, дуб, береза, ель).
- Прибор для демонстрации видов деформации.
- Весы.
- Штангенциркуль.
- Стальные шарики.
- Компьютер и проектор для демонстрации слайдов.
- Компьютерная презентация (приложение 1).
ХОД УРОКА
1. Актуализация знаний, формулирование темы урока.
- Как строить, из каких материалов, какие должны быть конструкции? Возможность использовать материал в строительной конструкции в значительной степени определяют физические и механические свойства.
Вопрос о древесине, вернее, о продукции из древесины, возникает при работе над проектом малоэтажного жилого дома, при подборе и расчете деревянных конструкций (окна, двери).
Сегодня на уроке мы рассмотрим применение древесины в строительстве в зависимости от ее механических свойств.
Для правильного применения того или иного материала в строительстве необходимо знать его физические, механические и другие свойства.
Тема урока “Механические свойства древесины”
На экране – слайд 1 (приложение 1).
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил.
Показатели свойств строительных материалов устанавливают лабораторными испытаниями образцов, отобранных в установленном порядке. Механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, ударная вязкость, истираемость, хрупкость, упругость и другие. О некоторых из этих свойств (на примере древесины) мы сегодня поговорим подробнее.
По ходу урока каждый учащийся должен заполнить сводный лист по механическим свойствам древесины (приложение 2).
2. Выступления групп учащихся, перед которыми, за две недели до урока была поставлена исследовательская задача изучить то или иное свойство древесины.
Все отчеты учащиеся представляют в виде компьютерной презентации.
2.1. Слово предоставляется группе учащихся (3 чел.), получивших исследовательскую задачу: изучить твердость древесины (приложение 2).
Вопросы классу после выступления первой группы:
- Вы обратили внимание на то, что твердость древесины разная по разным направлениям? (Твердость торцовой поверхности больше, чем боковой поверхности)
- Зависит ли твердость древесины от плотности? (Да, чем больше плотность, тем больше твердость древесины)
- Как называется зависимость свойств твердых тел от направления? (Анизотропией)
2.2. Слово предоставляется группе учащихся, получивших исследовательскую задачу: изучить износостойкость древесины (приложение 2).
Вопросы классу после выступления второй группы:
- Подтвердило ли это исследование анизотропию механических свойств древесины? (Да, истираемость торцовой поверхности меньше чем боковой поверхности)
- Зависит ли истираемость от твердости древесины? (Да, чем больше твердость, тем больше износостойкость древесины)
- Поговорим об одном из самых важных свойств любого строительного материала: о прочности.
В процессе работы изделия и сооружения подвергаются различным силовым воздействиям (нагрузкам). Нагрузки различаются по величине, характеру изменений во времени, направлению действия и по характеру приложения к телу.
По характеру изменения во времени нагрузки могут быть статическими, динамическими и повторно–переменными (примеры).
По направлению действия различаются растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие нагрузки (демонстрация соответствующих видов деформации).
Под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и др.) и различных внутренних физико-механических процессов в теле возникают внутренние механические силы (внутренние силы упругости). Внутренние силы, возникающие между частицами тела, оказывают сопротивление деформации.
Величины внутренних сил упругости, действующих в изделиях, измеряются напряжениями. Эти напряжения зависят от величины приложенных к телу сил (чем больше приложенные силы, тем большие возникают напряжения) и от размеров тела (чем больше поперечное сечение тела, тем меньшее напряжение в нем возникает при приложении сил той же величины). Таким образом, напряжение – это величина внутренних сил упругости, отнесенная к единице площади поперечного сечения тела:
= F/S,
где – механическое
напряжение.
На экране слайд “Диаграмма растяжения” (Приложение 1).
- График зависимости относительной деформации от приложенного напряжения называется диаграммой растяжения.
На нем можно выделить несколько характеристических точек. Точка A определяет предел пропорциональности, когда зависимость величины деформации от напряжения подчиняется закону Гука. Максимальное значение механического напряжения, при котором еще выполняется закон Гука, называют пределом пропорциональности.
Точка Б определяет предел упругости, когда после снятия нагрузки тело восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.
Если превышен предел упругости, то тело уже не восстанавливает свою форму, т. е. появляется остаточная деформация.
Если продолжать увеличивать нагрузку после превышения предела упругости, то при некотором значении деформация начинает расти практически без увеличения нагрузки (участок диаграммы между точками В и Г). Это явление называется текучестью, а сама деформация – пластической.
Начиная с точки Г, дальнейшее увеличение деформации снова требует увеличения напряжения.
Максимальное значение напряжения, точка Д, соответствует пределу прочности материала. Затем, когда будет превышен предел прочности, тело разорвется. Прочность материала характеризуется пределом прочности.
2.3. Слово представляется группе, получившей исследовательскую задачу: изучить прочность древесины (приложение 2).
Вопросы классу после выступления группы (фронтальная работа).
- Подтвердило ли это исследование анизотропию механических свойств древесины?
(Да, прочность вдоль и поперек волокон разная).
- Зависит ли прочность от твердости древесины?
(Да, чем больше твердость, тем больше прочность древесины).
- Что такое запас прочности, и какова его величина при строительстве сооружений?
(Все конструкции изготавливаются со значительным, но разумным запасом прочности, для того, чтобы случайные перенапряжения, возникающие при эксплуатации, не привели к разрушению. Отношение предела прочности материала к фактически действующему напряжению называют коэффициентом запаса прочности. Величина запаса прочности зависит от многих факторов.)
2.4. Сообщение о способности древесины удерживать металлические крепления (приложение 2).
2.5. Сообщение об упругих свойствах древесины, ее способности гнуться (приложение 2).
3. Практическая работа.
На каждую парту выдаются два деревянных бруска разной породы (дуб и сосна).
- Используя информацию, полученную на уроке, табличные данные, предложите способы идентификации образцов, проведите оценочные эксперименты. (Учащиеся могут предложить следующие способы)
1. По плотности древесины (у дуба больше, у сосны меньше). Имеются весы лабораторные, штангенциркуль.
2. По твердости древесины (у дуба больше). Имеется металлическая дробинка. Вдавливание дробинки с одинаковой силой в разные породы дает разные отпечатки.
3. По текстуре образцов. Имеются плакаты с текстурами разных пород.
- Как можно проверить анизотропию механических свойств древесины? Проведите эксперимент.
Подведение итогов практической работы.
4. Заключение.
- Древесина широко используется в строительстве для изготовления окон, дверей, покрытий для полов; из нее делают мебель, тару, спортивный инвентарь, элементы мостов, судов, музыкальные инструменты и многое другое.
Широкому использованию древесины способствуют большие запасы ее в мире, высокие физико-механические качества, хорошая обрабатываемость, а также эффективные способы изменения отдельных свойств древесины путем химической и механической обработки.
Из истории: древние здания и сооружения, архитектурные памятники России – это гордость нашего народа. Свидетельство таланта русских мастеров – народных умельцев. В летописях Россию обычно называли “страной лесной”. В строительстве широко применяются сосна, ель, береза, дуб и др.
С древних времен русские мастера сооружали дворцы, соборы, поражающие великолепием изысканностью отделки, неприступные башни и стены кремлей, дома, мельницы, мосты и т.д.
Положительные свойства древесины: способность прочно склеиваться, сохранять красивый внешний вид, хорошие теплоизоляционные и механические свойства.
Недостатки: древесина подвержена горению и загниванию, разрушается от воздействия насекомых и грибков, гигроскопична, вследствие чего может разбухать и подвергаться усушке, короблению, растрескиванию. Однако современные методы защиты древесины от гниения, возгорания, короеда позволяют применять ее в строительстве капитальных зданий.
Во время заключительного слова на экране возникают разные слайды, например, с изображением деревянных церквей в Кижах и т.д.
В мире за год заготавливается более 3 млрд. кубов леса (слайд, приложение 1). На фактор вымирания леса влияет не только вырубка, но и техногенные условия – это и пожары и прокладка новых трасс, заболачивание, вымирание леса.
Россия – крупнейшая лесная держава. Площадь составляет 774 млн. га запасы древесины 82 млрд. м3; на долю России приходится около 1/5 лесопокрытой площади планеты и мировых запасов древесины, в том числе, половина запасов хвойных пород. Но запасы древесины не бесконечны. Природу нашу нужно беречь! Берегите лес!
Литература:
- Александровский А.В. Материаловедение. – М.: “Высшая школа”, 1993.
- Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Шеффер Н.И. Факультативный курс физики. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1974.
- Касьянов В.А. Физика 10-й класс.– М.: Дрофа, 2002.
- Уголев Б.Н. Древесиноведение. – М.: АСАDЕМIА, 2006.
- Шильд Е. Строительная физика. – М.: Стройиздат, 1986.