Какое из перечисленных свойств характерно для кристаллических тел. Выберите правильный ответ.

Физика ПАР-65

 Внимание студентов!!! Лекция состоит из ДВУХ частей, после каждой из них даны вопросы. Лекцию законспектировать, на вопросы ответить. Фото или сканы прислать мне в ВК.

"Кристаллические и аморфные тела".

Напомню, что мы продолжаем изучать молекулярно-кинетическую теорию.

– В чем состоит основная задача МКТ? (Ответ: МКТ объясняет свойства макроскопических тел на основе знаний о строении вещества и поведении молекул).

Мы рассмотрели подробно на предыдущих уроках особенности газов и жидкостей. Для завершения МКТ нам необходимо рассмотреть особенности твердых тел.

– Какие особенности о строении твердых тел нам известны из курса физики? (Ответы: молекулы расположены очень близко друг к другу, силы взаимодействия между молекулами велики, молекулы совершаю колебания около своих положений равновесия).

– В чем отличия в строении жидкостей и твердых тел? (Ответ: в силах взаимодействия между молекулами, в расположении частиц, в скоростях и видах движения молекул).

Итак, главная особенность – это правильное расположение атомов, т.е. наличие кристаллической решетки, поэтому большинство твердых тел называют кристаллическими. Однако, существует еще одна группа твердых тел, о которых мы раньше не говорили – это аморфные тела. Итак, тема сегодняшнего урока «Кристаллические и аморфные тела».

 

3. Некоторые свойства кристаллов мы знаем. Вспомните, что можно сказать о форме и объеме твердых тел? (Ответ: сохраняются и форма, и объем)

Для систематизации знаний о твердых телах и для сравнения кристаллов и аморфных тел в процессе урока будем заполнять следующую таблицу (таблица приготовлена заранее на доске или можно вывести на экран через компьютер):

С                                       Свойства	Кристаллические  тела	Аморфные тела
С       Строение            Наличие плоских граней            Правильная геометрическая форма           Зависимость физических свойств от направления            Температура плавления             Деление на группы             Сохранение формы и объема             Примеры веществ

Начертите таблицу в тетради.

В колонку «Кристаллические тела» впишите, что нам известно о форме и объеме кристаллических тел.

                                               Рис 1

На рисунке 1 показаны кристаллические решетки различных веществ. Обратите внимание на то, что линии, соединяющие положения атомов, образуют правильные геометрические фигуры: квадраты, прямоугольники, треугольники, 6-угольники и т.д.

Т.е. кристаллы – это твердые тела, атомы которых расположены в определенном порядке (записать в таблицу).

Внутри кристалла расстояния между атомами в разных направлениях разные, поэтому и взаимодействия между атомами различны. Давайте подумаем, к чему это приводит.

Еще раз посмотрим на модель решетки графита.

– Где сильнее связаны атомы: в отдельных слоях или между слоями? (Ответ: в отдельных слоях, так как частицы ближе расположены друг к другу).

– Как это может повлиять на прочность кристалла? (Ответ: прочность скорее всего будет отличаться).

– В каком направлении будет быстрее передаваться тепло – вдоль слоя или в перпендикулярном направлении? (Ответ: вдоль слоя).

Итак, физические свойства различны по разным направлениям. Это называется анизотропией. Запишем в таблицу: кристаллы анизотропны, т.е. их физические свойства зависят от выбранного в кристалле направления (теплопроводность, электропроводность, прочность, оптические свойства). Это основное свойство кристаллов!!

Рассмотрим еще одну особенность кристаллов. Рис 2

– Чем отличаются эти два объекта? (Ответ: слева сахар в виде отдельных крупинок, а справа – сросшиеся кристаллики).

Одиночные кристаллы называются монокристаллами Рис 3, а множество спаянных друг с другом кристалликов – поликристаллы (записать в таблицу).

 

Рис 2       Рис 3

 

На Рис 4 вы видите сахар в трех состояниях: сахарный песок, сахар-рафинад, и сахарный леденец.

 

Рис 4

– Есть ли среди этих образцов монокристаллы? (Ответ: сахарный песок).

– Есть ли среди этих образцов поликристалл? (Ответ: сахар-рафинад).

– Можем ли мы утверждать, что леденец имеет правильную форму? Есть ли у него плоские грани? (Ответы: нет).

Что можно сказать о форме крупинок, о наличии плоских граней, о повторяемости формы в разных крупинках? (ответ: у крупинок сахара есть все признаки кристаллов, у крупинок леденца их нет).   

В отличие от кристаллов сахарный леденец может и раскалываться и размягчаться, постепенно переходя в жидкое состояние, при этом меняя форму. Все аморфные тела – это вещества, атомы которых расположены в относительном порядке, нет строгой повторяемости пространственной структуры.

Еще один пример вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (песок и стекло). Важно, что из-за разных расстояний между атомами даже в соседних ячейках, разрушаться пространственная решетка не будет при определенной температуре, как это происходит у кристаллов. У аморфных тел существует промежуток температур, при котором вещество плавно переходит в жидкое состояние.

 

Примерами аморфных тел являются смола, канифоль, янтарь, пластилин и другие. Рис5

 

Рис 5

 

 

Задание по теме: Заполнить таблицу сравнения кристаллических и аморфных тел.

 Ответить на вопросы теста:

Тест

Что такое монокристалл?

А. Тело, имеющее правильную геометрическую форму и ограниченное естественными плоскими гранями
Б. Частица вещества, имеющая правильную геометрическую форму
В. Твердое тело, состоящее из одного кристалла

 

 «Механические свойства твердых тел. Закон Гука»

 

 «Вот это стул – на нем сидят. Вот это стол – за ним едят». Вы помните, конечно, эти стихи С. Я. Маршака? А давайте теперь спросим себя, что происходит со стулом, когда на нем кто-то сидит?

Если этот стул сделан из твердого дерева, - а вам известны и металлические, и пластмассовые твердые стулья, - то на глаз ничего не заметить. Но если это плетеный стул, а еще лучше с брезентовым или матерчатым сидением, то сразу можно увидеть, как оно прогибается под нашим весом. Встаем – и прогиб исчез.

Теперь представим себя на песчаном пляже. Если мы плюхнулись на мокрый песок, то, поднявшись, обнаружим контуры своего тела, отпечатавшиеся на берегу. То же самое произойдет и с воском, глиной, мягким гипсом или пластилином – все они «откликнутся» на наши усилия (вес либо давление) и запечатлеют их. Благодаря этому можно лепить из глины скульптуры или посуду, наложить гипс на сломанную руку, сделать свечу из расплавленного воска или парафина.

Выходит, каждое тело по-своему отзывается на действие других тел. Одни легко восстанавливают свою измененную форму, другие так и «застывают» в том виде, какой им придали. Такие нарушения формы тел в науке называют деформациями. В первом случае их именуют упругими, а во втором – пластическими.

О деформациях чрезвычайно важно знать, когда изготавливается, например, мебель или строят здания, возводят мосты или льют металл. Вообразите, что вам предложили сесть на стул из мягкой глины, либо есть пластилиновой вилкой. Или, наоборот, попросили вылепить скульптуру из куска алюминия.

Не умей человек рассчитать деформации, он не смог бы построить высоченные телебашни, раскинуть в космосе ажурные металлические конструкции, заставить летать самолеты и плыть - корабли.

А если вам захочется поэкспериментировать с деформациями, что называется, не напрягаясь, засуньте в рот пластинку жевательной резинки. Подумайте, с какими видами деформации вы теперь можете столкнуться?

Изложение нового материала начинается с постановки проблемы: что происходит с твердыми телами при различных видах деформаций на молекулярном уровне?

Решение проблемы начинается с демонстрации простейших опытов с пружинкой или линейкой и кусочком пластилина.

Затем необходимо, чтобы студенты сами попытались дать четкое определение деформации.

Виды деформаций.

Упругие деформации, возникающие в телах, весьма разнообразны. Различают четыре основных вида деформаций: растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение и изгиб.

Наиболее часто при эксплуатации различных конструкций приходится рассчитывать упругие деформации растяжения или сжатия.

Деформацию растяжения (сжатия) тела характеризуют его относительным удлинением ε – отношением абсолютного удлинения Δl = l – l₀ к первоначальной длине l₀. При деформации сдвига ε = tg

 

Приложенная к телу внешняя сила F создает внутри него нормальное механическое напряжение.

Напряжение – величина, измеряемая отношением модуля F силы упругости к площади поперечного сечения S тела:

При малых деформациях тел всегда выполняется закон Гука:

F = κּ׀Δl׀.

Коэффициент упругости зависит от материала стержня и его геометрических размеров:

Коэффициент Е, входящий в эту формулу, называют модулем упругости или модулем Юнга.

Для большинства широко распространенных материалов модуль Юнга определен экспериментально. Модуль Юнга для некоторых веществ приведен в таблице в опорном конспекте.

Подставляя в формулу закона Гука выражение для к, получим:

σ = Еּ׀ε׀.

Это выражение называется законом Гука для твердых тел.

Роберт Гук (1635 – 1703) – английский физик, известный трудами по теплоте, оптике, небесной механике. Открыл закон упругости твердых материалов. Усовершенствовал микроскоп, первым с его помощью описал клетки растений. Изобрел барометр, дождемер, ватерпас, один из видов телескопов.

Пример решения задачи на применение закона Гука для твердых тел.

Латунная проволока диаметром 0,8 мм имеет длину 3,6 м. Под действием силы 25 Н проволока удлиняется на 2 мм. Определить модуль Юнга для латуни.

Решение. Из формулы закона Гука σ = Еּ׀ε׀. находим:

или, учитывая, что

 

Так как

 

 

Вы  видите, на рисунке выше, представлена зависимость между напряжением и относительной деформацией, получившей название диаграммы растяжения.

Точка D соответствует пределу прочности. Так для стали он равен

7,85ּ10⁸ Па, а для меди 2,45ּ10⁸ Па.

Прочностью материала называется его способность выдерживать нагрузки без разрушения.

Пример решения задачи на предел прочности материала.

К проволоке из углеродистой стали подвешен груз массой 100 кг. Длина проволоки 1 м, диаметр 2 мм. Модуль Юнга для стали Е = 2ּ10¹¹ Па, предел прочности 330 МПа. На сколько увеличится длина проволоки? Превышает приложенное напряжение или нет предел прочности?

Решение.  Из формулы закона Гука находим

Δl = lF/ (ES),

где l – длина проволоки; Δl – изменение длины; F = mg – сила, действующая на проволоку; S = πd²/4 – площадь поперечного сечения проволоки.

Таким образом,

 

 

Найдем приложенное нормальное напряжение:

Полученное значение σ не превышает заданного предела.

Предел прочности многих материалов значительно больше предела упругости. Такие материалы называются вязкими. Они обладают и упругой и пластической деформациями. К ним относятся медь, цинк, железо и др.

Материалы, у которых отсутствует область упругих деформаций, относятся к пластическим, например воск, глина, пластилин.

Способность изделия противостоять значительной деформации или разрушению зависит не только от качества материала, но также и от формы изделия и вида воздействия.

Например, если лист обыкновенной бумаги положить на опоры и сверху нагрузить, то он сильно прогнется под действием силы тяжести груза.

Многим из вас известно существование так называемых «падающих» башен. Например Пизанская башня. Ее корпус на протяжении многих лет остается наклоненным и башня не падает.

 

 Ответить письменно на качественные задачи.

1. Какого вида деформации испытывают стены зданий? Тросы подъемного крана? Рельсы на железной дороге? Бумага при резании?

2. Какого вида деформации испытывают ножка скамейки? Сиденье скамейки? Натянутая струна гитары? Винт мясорубки? Зубья пилы?

3. Какого вида деформации возникают в перекладине, когда гимнаст делает полный оборот «солнце»?

 

Физика ПАР-65

 Внимание студентов!!! Лекция состоит из ДВУХ частей, после каждой из них даны вопросы. Лекцию законспектировать, на вопросы ответить. Фото или сканы прислать мне в ВК.

"Кристаллические и аморфные тела".

Напомню, что мы продолжаем изучать молекулярно-кинетическую теорию.

– В чем состоит основная задача МКТ? (Ответ: МКТ объясняет свойства макроскопических тел на основе знаний о строении вещества и поведении молекул).

Мы рассмотрели подробно на предыдущих уроках особенности газов и жидкостей. Для завершения МКТ нам необходимо рассмотреть особенности твердых тел.

– Какие особенности о строении твердых тел нам известны из курса физики? (Ответы: молекулы расположены очень близко друг к другу, силы взаимодействия между молекулами велики, молекулы совершаю колебания около своих положений равновесия).

– В чем отличия в строении жидкостей и твердых тел? (Ответ: в силах взаимодействия между молекулами, в расположении частиц, в скоростях и видах движения молекул).

Итак, главная особенность – это правильное расположение атомов, т.е. наличие кристаллической решетки, поэтому большинство твердых тел называют кристаллическими. Однако, существует еще одна группа твердых тел, о которых мы раньше не говорили – это аморфные тела. Итак, тема сегодняшнего урока «Кристаллические и аморфные тела».

 

3. Некоторые свойства кристаллов мы знаем. Вспомните, что можно сказать о форме и объеме твердых тел? (Ответ: сохраняются и форма, и объем)

Для систематизации знаний о твердых телах и для сравнения кристаллов и аморфных тел в процессе урока будем заполнять следующую таблицу (таблица приготовлена заранее на доске или можно вывести на экран через компьютер):

С                                       Свойства	Кристаллические  тела	Аморфные тела
С       Строение            Наличие плоских граней            Правильная геометрическая форма           Зависимость физических свойств от направления            Температура плавления             Деление на группы             Сохранение формы и объема             Примеры веществ

Начертите таблицу в тетради.

В колонку «Кристаллические тела» впишите, что нам известно о форме и объеме кристаллических тел.

                                               Рис 1

На рисунке 1 показаны кристаллические решетки различных веществ. Обратите внимание на то, что линии, соединяющие положения атомов, образуют правильные геометрические фигуры: квадраты, прямоугольники, треугольники, 6-угольники и т.д.

Т.е. кристаллы – это твердые тела, атомы которых расположены в определенном порядке (записать в таблицу).

Внутри кристалла расстояния между атомами в разных направлениях разные, поэтому и взаимодействия между атомами различны. Давайте подумаем, к чему это приводит.

Еще раз посмотрим на модель решетки графита.

– Где сильнее связаны атомы: в отдельных слоях или между слоями? (Ответ: в отдельных слоях, так как частицы ближе расположены друг к другу).

– Как это может повлиять на прочность кристалла? (Ответ: прочность скорее всего будет отличаться).

– В каком направлении будет быстрее передаваться тепло – вдоль слоя или в перпендикулярном направлении? (Ответ: вдоль слоя).

Итак, физические свойства различны по разным направлениям. Это называется анизотропией. Запишем в таблицу: кристаллы анизотропны, т.е. их физические свойства зависят от выбранного в кристалле направления (теплопроводность, электропроводность, прочность, оптические свойства). Это основное свойство кристаллов!!

Рассмотрим еще одну особенность кристаллов. Рис 2

– Чем отличаются эти два объекта? (Ответ: слева сахар в виде отдельных крупинок, а справа – сросшиеся кристаллики).

Одиночные кристаллы называются монокристаллами Рис 3, а множество спаянных друг с другом кристалликов – поликристаллы (записать в таблицу).

 

Рис 2       Рис 3

 

На Рис 4 вы видите сахар в трех состояниях: сахарный песок, сахар-рафинад, и сахарный леденец.

 

Рис 4

– Есть ли среди этих образцов монокристаллы? (Ответ: сахарный песок).

– Есть ли среди этих образцов поликристалл? (Ответ: сахар-рафинад).

– Можем ли мы утверждать, что леденец имеет правильную форму? Есть ли у него плоские грани? (Ответы: нет).

Что можно сказать о форме крупинок, о наличии плоских граней, о повторяемости формы в разных крупинках? (ответ: у крупинок сахара есть все признаки кристаллов, у крупинок леденца их нет).   

В отличие от кристаллов сахарный леденец может и раскалываться и размягчаться, постепенно переходя в жидкое состояние, при этом меняя форму. Все аморфные тела – это вещества, атомы которых расположены в относительном порядке, нет строгой повторяемости пространственной структуры.

Еще один пример вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (песок и стекло). Важно, что из-за разных расстояний между атомами даже в соседних ячейках, разрушаться пространственная решетка не будет при определенной температуре, как это происходит у кристаллов. У аморфных тел существует промежуток температур, при котором вещество плавно переходит в жидкое состояние.

 

Примерами аморфных тел являются смола, канифоль, янтарь, пластилин и другие. Рис5

 

Рис 5

 

 

Задание по теме: Заполнить таблицу сравнения кристаллических и аморфных тел.

 Ответить на вопросы теста:

Тест

Какое из перечисленных свойств характерно для кристаллических тел? Выберите правильный ответ.

А. Существование определенной температуры плавления.

Б. Изотропность.

В. Отсутствие определённой температуры плавления.