УРОК 16 Тема: Залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури - Фізика 7 клас - Середня школа - Каталог статей - Учительська світлиця
Головна » Статті » Середня школа » Фізика 7 клас

УРОК 16 Тема: Залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури


УРОК 16
Тема:      Залежність    лінійних     розмірів    твердих     тіл    від    температури
Методичні рекомендації та матеріали
Лінійне розширення тіл
Вивчення розділу про будову речовини завершується вивченням
залежності  лінійних  розмірів  твердого  тіла  від  температури.  При-ступаючи до розгляду цього питання, учитель нагадує, що фізичні
тіла можуть змінювати свої розміри (розширюватися або стискатися)
не тільки через механічний вплив на них (розтягання або стискання),
але й у результаті їхнього нагрівання або охолодження. Учні, у свою
чергу коментують продемонстрований їм дослід з кулею Гравізанда,
що  легко  прослизає  через  кільце  до  нагрівання  й  застряє  в  ньому
після  нагрівання  Після  охолодження  куля  знову  легко  проходить
через кільце. Далі з’ясовується питання, як пояснити теплове роз-ширення тіл з погляду основних положень молекулярно-кінетичної
теорії будови речовини.
Оскільки  об’єм  тіла  в  переважній  більшості  випадків  збіль-шується при розтяганні й нагріванні, а зменшується при стисканні
й охолодженні, то, значить, об’єм даної маси речовини буде залежати
від її температури й від того тиску, якого вона зазнає зовні. Ці умови
можуть одна одній сприяти (розтягання й нагрівання, стискання й
охолодження) або протидіяти (розтягання й охолодження, стискан-ня  й  нагрівання).  Приймаючи  речовину  такою,  що  складається
з   молекул,  більш-менш  зв’язаних  між  собою  силами  взаємодії,
і знаючи, що, крім зміни об’єму, нагріванням ми можемо тверде тіло
перетворити в рідке, а рідке — в газоподібне, можна допустити, що
нагрівання змушує молекули віддалятися одна від одної, послабляє
їхній взаємний зв’язок і робить їх більш рухливими. Охолодження
ж приводить до зворотного ефекту.
Потім,  перш  ніж  безпосередньо  перейти  до  розгляду  лінійного
розширення,  рекомендується  показати,  що  різні  тверді  тіла  роз-ширюються при нагріванні й стискуються при охолодженні по-різ-ному.  Із  цією  метою  показують  і  обговорюють  дослід  з  нагрівання
біметалічної  пластинки  (дві  пластинки  з  різних  металів,  склепані
між собою). За їхнім вигином при нагріванні й охолодженні можна
зробити  висновок  щодо  неоднакового  розширення  різних  металів
під час однакового нагрівання.
Таким чином, температурним розширенням називається ефект
зміни  розмірів  тіла  при  постійному  тиску.  Кількісною  характери-стикою цієї властивості речовин виступає температурний коефіцієнт
лінійного розширення α, під яким розуміється відносна зміна дов -жини тіла l при нагріванні його на один градус. Або, інакше кажу -чи, відношення подовження тіла при підвищенні його температури
на 1
°
С до первинної довжини тіла, узятої при 0
°
С. Так, якщо коефі-цієнт лінійного розширення свинцю дорівнює 0,000029 1/
°
С, то це
означає, що свинцевий стрижень, довжина якого при 0
°
С дорівнює,
наприклад, 1 метр, при нагріванні на кожний градус буде подовжува-тися на 0,000029 м або на 0,029 мм. Для визначення температурного
коефіцієнта лінійного розширення твердого тіла, наприклад заліза,
виготовляють  залізний  стрижень,  довжина  якого  при  0
°
С  нехай
дорівнюватиме 1 метру. Потім його нагрівають до  якої-небудь більш
високої температури, наприклад, до 100
°
С, при цьому стрижень по-довжується, припустімо на 1,2 мм. Щоб знайти подовження при  на-гріванні на 1
°
С, розділимо на 100 і одержимо 0,012 мм; потім, визна -чивши відношення цієї величини до первинної довжини (1000 мм),
дізнаємося,  що  коефіцієнт  лінійного  розширення  заліза  дорівнює
0,000012 1/
°
С. Отже, залізний стрижень за підвищення температури
на 1  
°
С подовжується на 0,000012 своєї довжини при  0
°
С. Взагалі ж
температурний коефіцієнт лінійного розширення  α виражається так:
α = ( l – l
0
)/ l
0
t ,
l
0
  —  довжина металевого стрижня за 0
°
С;
l  —  довжина  того  самого  стрижня  за  деякої  температури  t ,  
    не рівної 0  
°
С.
При виведенні формули для температурного коефіцієнта ліній-ного розширення необхідно підкреслити фізичний зміст отриманих
виразів, а саме:  (l – l
0
) — подовження стрижня при його нагріванні
на t градусів; (l – l
0
)/ t — подовження при нагріванні на один градус;
(l –  l
0
)/ l
0
t  — подовження тіла, що приходиться на кожну одиницю
його  довжини  за  нагрівання  на  один  градус,  —  температурний  ко-ефіцієнт лінійного розширення.
Знаючи коефіцієнт розширення, можна обчислити збільшення
довжини  тіла  при  нагріванні  до  даної  температури.  Нехай  l
0
  —  це
довжина стрижня при 0  
°
С, α — коефіцієнт лінійного розширення.
88
При нагріванні від 0
°
 до 1
°
С стрижень подовжується на l
0
α, при на -гріванні на  t
°
 — на l
0
αt. Отже, довжина стрижня при t
°
, що назвемо  l,
дорівнюватиме l
0
+l
0
αt або
  l = l
0
(1 + αt).   (1)
Формула (1) дозволяє, знаючи довжину тіла за деякої температу-ри t, знайти її величину за  0
°
С. тільки для цього потрібно розв’язати
рівняння  відносно l
0
.
Після того, як засвоєна формула, що описує лінійне розширен-ня твердого тіла, рекомендується розглянути різні приклади вияву
вивченого ефекту.
Розширенням  тіл  пояснюється  безліч  явищ.  Якщо  в  скляну
посудину  з  товстими  стінками  налити  гарячої  води,  то  внутрішня
поверхня стінок розширюється, тим часом як зовнішня, через пога-ну теплопровідність скла, залишається на якийсь час у тому самому
положенні, і посудина лопається. Рейки на залізницях кладуть так,
щоб між ними залишалися проміжки, оскільки, якби вони торкалися
одна одної, то при розширенні могли б від взаємного тиску зігнутися.
Внутрішня  напруга  при  зміні  температури  може  виникнути
й   внаслідок  різного  розширення  матеріалів,  з  яких  складається
тіло.  Так,  наприклад,  при  нагріванні  емальованого  металевого
посуду емаль може відшаруватися внаслідок нерівномірного на-грівання тіла.
Учням треба нагадати, що явище теплового розширення врахо-вується при натягуванні дротів ліній електропередач, при розрахунку
діаметра поршня двигуна внутрішнього згоряння, в електроламповій
промисловості, при виготовленні біметалічних пристроїв.
Цікавим  є  питання  про  порівняння  розширення  кристалічних
і  аморфних  тіл  при  нагріванні.  Розміри  аморфних  тіл  змінюються
однаковим  чином  у  різних  напрямках.  Куля  з  аморфної  речовини
при  нагріванні  не  змінює  своєї  форми.  Якщо  ж  нагрівати  кулю
із  кристалічної речовини, то вона втрачає кулясту форму й набуває
зазвичай форму еліпсоїда, оскільки розміри кристалічного тіла при
нагріванні змінюються в різних напрямках неоднаково.
Розглянувши з учнями проблему урахування теплового розши-рення в техніці, рекомендується запропонувати їм розв’язати серію
завдань, що мають практичне значення. Наприклад.
Завдання 1. Як змінюється просвіт кільця під час нагрівання —
звужується або розширюється?
Завдання  2.  При  нагріванні  посудини  товщина  її  стінок  збіль -шується. Як змінюється при цьому внутрішній об’єм посудини?
Відповісти  на  ці  питання  можна  в  такий  спосіб.  При  рівномір-ному нагріванні кільце й посудина нагріваються так, ніби усередині
них була речовина, з якої вони зроблені. Тому кільце стає більшим,
а посудина — місткішою. Взагалі місткість посудини при нагріванні
збільшується так само, як і об’єм суцільного тіла, що заповнює всю
внутрішню частину посудини.
Примітка.  Демонстраційний  експеримент  не  дозволяє  визна-чити  температурний  коефіцієнт  лінійного  розширення.  Це  можна
зробити, виконуючи лабораторну роботу.
Навчальні матеріали до теми «Будова речовини»
Нижче  наводяться  додаткові  навчальні  матеріали,  які  можуть
бути  використані  вчителем  при  проведенні  уроків  по  темі  «Будова
речовини». Додаткові матеріали складаються з навчальних текстів
з розглянутої теми й рекомендованих демонстраційних дослідів. До-сліди запозичені із книги С. А. Хорошавіна «Фізичний експеримент
у середній школі: 6–7 кл. — М.: Освіта. 1988.— 175 с.»
Із чого побудована речовина?
Ніхто  не  знає  точно,  скільки  різних  речовин  існує  в  природі.
Кількість відомих до теперішнього часу речовин перевищує 14 мільй-онів. Безумовно, у природі ще є багато речовин, з якими дослідники
тільки мають зустрітися.
Тисячі  років  знадобилися  людині,  щоб  знайти  відповідь  на  це
питання.  У  середні  століття  алхіміки  (представники  донаукового
напрямку  в  розвитку  хімії)  уважали,  що  все  складається  з  Вогню,
Землі,  Повітря  й  Води.  Дерево  утворює  тепло  при  згорянні.  Отже,
думали алхіміки, сухе дерево складається із Землі (золи) і Вогню.
Близько  двох  тисяч  років  тому  знаменитий  римський  поет
Лукрецій Кар написав трактат «De rerum natura» — «Про природу
речей», у якому він, відбиваючи погляди певної частини мислителів
того  часу,  стверджував,  що  повітря,  земля,  вода  й  взагалі  всі  тіла
в природі складаються з безлічі найпростіших часток, розміри яких
настільки малі, що їх неможливо помітити окремо. Ці частки були
названі атомами. Слово «атом» походить від грецького слова «ато-мос», що значить «неподільний»!
Однак філософи часів Лукреція Кара лише міркували про природу
речей. І тільки завдяки розвитку науки, праці вчених, які навчилися
проводити експерименти, усього лише біля двохсот років тому було
доведено, що все в природі дійсно складається з атомів, розділених,
до того ж, між собою «порожніми» проміжками.
Дослід 1
Прозорий циліндр із поршнем до половини наповнений повітрям.
Поршень всувають у циліндр. Об’єм  повітря, що міститься в ньому
зменшується.  Але  якщо  відпустити  поршень,  то  він  повертається
в початкове положення (мал. 2.1)
Об’єм повітря можна міняти стисканням.
Дослід 2
Прозорий циліндр із поршнем з’єднаний шлангом з кулею, що
містить повітря. При нагріванні повітря в кулі поршень висувається
із циліндра, що свідчить про збільшення об’єму повітря (мал. 2.2).
Зворотний рух поршня свідчить про зменшення об’єму повітря при
охолодженні.
Об’єм повітря змінюється при його нагріванні й охолодженні.
Дослід 3
Металева кулька вільно проходить через металеве кільце. Після
нагрівання кулька застрягає в кільці (мал. 2.3). Коли кулька охолоне,
вона знову вільно проходитиме крізь кільце.
 Тверді тіла змінюють свій об’єм при нагріванні й охолодженні.
Дослід 4
Колбу з водою закривають корком, у який вставлена вузька скля-на  трубка.  Трубка  до  половини  також  заповнена  водою  (мал.  2.4).
При нагріванні води в колбі рівень води в трубці підвищується, при
охолодженні — знижується.
Рідини змінюють свій об’єм при нагріванні й охолодженні.
Дослід 5
Шматок  крейди  розламують  на  дві  частини.  Кожну  із  частин
крейди ділять навпіл доти, доки не залишиться маленький шмато-чок крейди, який ще можна якось утримати в руці. Цим шматочком
крейди  проводять  риску  на  дошці.  Кожна  частина  сліду  крейди
на дошці складається із часток крейди. Крейдову риску послідовно
ділять на рівні частини. Кожна із отриманих частин крейдової риски
містить частки крейди.
Тіла складаються з дуже маленьких часток.
Що являє собою атом?
Отже, атоми — це дрібні частки, з яких складається речовина.
Важко уявити собі, наскільки малі атоми. Якщо скласти в ланцю-Рис. 2.1.
Змінювання об’єму повітря
стисканням
Рис. 2.2.
Змінювання об’єму повітря при
його нагріванні й охолодженні
Рис. 2.3.
Змінювання об’єму металевої
кульки при її нагріванні й охо -лодженні
Рис.2.4.   
Змінювання  об’єму  води  при  її  
нагріванні й охолодженні
жок 100 мільйонів атомів, то довжина цього ланцюжка буде лише
близько одного сантиметра.
З розвитком науки атоми втратили право вважатися найпрості-шими, неподільними частками речовини. У своєму переможному ході
наука розклала атом на більш прості складові частини.
До теперішнього часу встановлено, що кожний атом складається
з ядра й електронів, які обертаються навколо ядра. У свою чергу ядро
атома складається із протонів і нейтронів
Ядро й електрони атома мають електричні заряди. Ці заряди
рівні  за  величиною,  але  протилежні  за  знаком.  Ядро  атома  має
позитивний заряд, а електрони є носіями елементарного негатив-ного електричного заряду. Позитивний заряд ядра несуть протони,
а  нейтрони  не  мають  зарядів,  вони  є  електрично  нейтральними
частками.  Кількість  електронів,  що  рухаються  навколо  ядра,
і   протонів у його ядрі однакова, тому в цілому атом не заряджений,
нейтральний.
Електрони,  протони  й  нейтрони  називаються  елементарними,
тобто найпростішими, частками.
Якщо  уявити  ядро  атома  у  вигляді  кульки,  а  електрон  —  та-ким, що обертається довкола нього по колу, то діаметр цього кола
приблизно в десять тисяч разів буде перевершувати діаметр ядра  —
кульки.
Якщо ми уявимо собі, приміром, атом вуглецю, що складається
із шести протонів, шести нейтронів і шести електронів, збільшеним
до розмірів футбольного поля, то електрони будуть схожі на мух,
що літають над стадіоном, а ядро — на футбольний м’яч, до того ж
цей  м’яч  буде  в  тисячі  разів  важчим  всіх  мух  (тобто  електронів),
разом узятих.
Це  означає,  що  понад  99,9 %  усієї  речовини  Всесвіту  сконцен-тровано в ядрах атомів. І, таким чином, атом є в основному порожнім
простором.
Чи багато «сортів» атомів існує в природі?
Ні, не багато. Кількість різних сортів атомів, що зустрічаються в
природі, не дуже велика — їх налічується не набагато більше дев’я-носта — дев’яносто два. Цілий ряд атомів був отриманий штучно в
лабораторіях  учених.  До  1981  року  було  відомо  107  різних  сортів
атомів.
Що таке хімічний елемент?
Речовину,  що  складається  з  атомів  одного  сорту,  називають
хімічним  елементом.  Різних  хімічних  елементів  існує  стільки  ж,
скільки існує різних атомів. Кожний з хімічних елементів має свою
назву й літерне позначення.
На Землі найпоширенішими є такі десять елементів: Оксиген (О),
Силіцій (Si), Алюміній (Al), Ферум (Fe), Купрум (Cu), Натрій (Na),
Калій  (K),  Магній  (Mg),  Титан  (Ti),  Марганець  (Mn).  Ці  елементи
становлять 99,92 % маси земної кори.
Всі хімічні елементи побудовані з тих самих основних часток —
протонів, нейтронів і електронів. Що ж робить один хімічний елемент
відмінним від іншого?
Виявляється,  ні  що  інше,  як  число  цих  часток,  тобто  число
протонів, нейтронів і електронів, що входять до складу атомів цих
елементів. Саме сполука атомів визначає властивості й  особливості
того  або  іншого  хімічного  елемента.  Багато  металевих  елементів
учням знайомі: алюміній, мідь, залізо, олово, срібло, золото тощо.
Елементи-неметали  для  семикласників  ще  не  є  добре  знайомими,
оскільки вони зустрічаються з ними у сполуках.
Отже, більшість речовин являє собою або сполуки хімічних еле-ментів,  або  їхню  суміш.  Повітря  —  суміш  кисню  й  азоту  та  інших
газів, вода — хімічна сполука кисню й водню, поварена сіль — хімічна
сполука натрію й хлору.
Суміші зазвичай поводяться так само, як і їхні складові. Суміш
двох газів — кисню й азоту — теж газ, повітря. Але коли газоподібні
кисень і водень вступають у сполуку, виходить рідина, вода.
Періодична система елементів
Відкриття хімічних елементів стимулювало активні пошуки за-кономірностей у їхніх властивостях. Справа в тому, що серед відомих
хімічних елементів є групи елементів, властивості яких виявляють-ся  близькими.  Так,  цілий  ряд  елементів  є  металами.  Незважаючи
на те, що кожний метал індивідуальний, всі метали мають спільні
властивості. Вони тверді, непрозорі для світла, мають характерний
металевий блиск та ін. Іншу характерну групу елементів утворюють,
наприклад, гази.
Багато  вчених  намагалися  зрозуміти,  що  визначає  основні  ха-рактерні властивості хімічних елементів. Видатною подією в цьому
зв’язку стало відкриття великим росіянином, ученим Дмитром Іва-
новичем Менделєєвим (1834—1907), періодичного закону хімічних
елементів. Відповідно до цього закону властивості хімічних елементів
перебувають у періодичній залежності від заряду їхніх атомних ядер.
На цій основі Д.  І.  Менделєєв побудував систему елементів, згрупу-вавши їх певним чином у порядку зростання заряду ядер атомів, що
утворюють елементи.
У  періодичній  системі  Д.  І.  Менделєєва  всі  хімічні  елементи
розташовані в таблиці, що складається з 7 періодів по горизонталі
й 8 груп по вертикалі. Кожний хімічний елемент у цій таблиці займає
своє певне місце, за кожним елементом закріплений свій порядковий
номер. Цей порядковий номер і дорівнює заряду ядра атома, тобто
кількості протонів у ядрі.
У кожному періоді (горизонтальному ряді) властивості елементів
закономірно змінюються. При цьому на початку періоду виявляють-ся металеві елементи, а наприкінці — газоподібні. У вертикальних
стовпцях розташовані елементи, подібні за властивостями.
Що таке молекула?
Атоми,  з  яких  складаються  всі  речовини,  рідко  зустрічаються
у   вільному стані. Як правило, вони з’єднуються один з одним і ут-ворюють молекули. Молекули — це дрібні часточки тієї речовини,
яку вони утворюють. Молекулу називають дрібною, неподільною ча-сточкою речовини, але при цьому не мають на увазі, що її неможливо
розділити  взагалі,  у  принципі.  Неподільною  молекулу  називають
у   тому  значенні,  у  якому  можна  назвати  неподільною  яку-небудь
тварину або складний прилад, наприклад годинник. Частина тварини
не є сама тварина, і один тільки циферблат не є годинником. Так само
і частина молекули буде вже зовсім не тим, чим була сама молекула.
Молекули в речовині, як і атоми, перебувають на деяких відста-нях одна від одної і розділені порожніми проміжками.
Атом одного елемента може з’єднуватися з іншими подібними ато-мами. При цьому утвориться молекула простої речовини. Речовини,
що складаються з атомів тільки одного сорту, називають простими.
Одноатомними  простими  речовинами  є,  приміром,  гази:  неон,
гелій.
Молекулярними простими — гази: водень (молекулу водню утво-рюють два атоми водню ), кисень (молекула кисню також складається
із двох атомів кисню).
Кисень — проста речовина — газ без кольору і запаху, становить
приблизно 1/5 частину повітря, найпоширеніший на Землі елемент,
входить до складу води й багатьох тканин живих організмів. Кисень
необхідний людям і тваринам для дихання. Кисень підтримує горін-ня, без кисню горіння припиняється. Зелені рослини за допомогою
енергії Сонця поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень, що
є наслідком явища фотосинтезу.
Кисень  застосовується  в  металургії,  хімічній  промисловості,
медицині. Рідкий кисень — компонент ракетного палива.
Водень — проста речовина, газ без кольору і запаху, найпоши-реніший елемент космосу, становить більше 70  % маси Сонця й зірок.
На Землі входить до складу живих організмів, води, кам’яного ву -гілля, нафти.
Водень застосовують при зварюванні й різанні металів, у хімічній
промисловості, як паливо для ракетних і реактивних двигунів.
Атом може з’єднуватися з одним або декількома атомами інших
елементів,  утворюючи    молекули  складних  речовин  або  хімічних
сполук.
При сполученні навіть двох різних атомів утвориться зовсім інша
речовина з новими властивостями. Газ водень, як ми вже відзначали,
з’єднуючись із іншим газом — киснем, утворить воду. Дві отруйні
речовини: газоподібний хлор і м’який сріблясто-білий метал натрій,
з’єднуючись,  утворять  звичайну  столову  сіль.  Цукор  складається
з таких елементів: вуглецю, водню й кисню. Кожна молекула цукру
містить 11 атомів вуглецю, 22 атоми водню й 11 атомів кисню.
У загальному випадку до складу молекули може входити від двох
до декількох десятків і навіть тисяч атомів.
Атоми, таким чином, можна порівняти з буквами абетки, пере-ставляючи які різними способами, ми утворимо безліч слів. Також
зовсім різні комбінації порівняно невеликого числа атомів утворюють
молекули. Сполучення різних видів молекул приводить до утворення
безлічі речовин різного виду й властивостей.
Всесвіт  настільки  багатий  у  своїй  розмаїтості,  суша  й  усе,  що
спочиває  й  виростає  на  ній,  води  морів,  повітря  й  хмари,  всі  живі
істоти на суші, у морі й у повітрі, наші власні тіла й будь-яка частина
їх, Сонце, Місяць, зірки — все складається з атомів невеликого чис-ла сортів. Тільки з атомів, з їхніх сполук створюється нескінченна
розмаїтість світу.
Хімічна формула речовини
Сполуку  кожної  складної  речовини  можна  виразити,  користу-ючись позначеннями (символами) хімічних елементів, атоми яких
входять  до  складу  цієї  речовини,  і  вказуючи  число  атомів  кожно-го  елемента,  —  хімічною  формулою  цієї  речовини.  Так,  формула
води,  молекула  якої  складається  із  двох  атомів  водню  (Н)  і  одного
атома кисню (О) записується так: Н
2
О. Молекула вуглекислого газу
складається з одного атома вуглецю (С) і двох атомів кисню — його
формула має вигляд: О
2
. Сполука сірчаної кислоти виражається фор-мулою Н
2
SO
4
 — це означає, що в молекулі сірчаної кислоти мітиться
2 атоми водню, 1 атом сірки й 4 атоми кисню.
Взаємодія часток речовини
Щоб  зламати  скляну  паличку,  відрубати  від  дошки  шматок
дерева, розірвати металевий дріт, потрібно прикласти велику силу.
Це вказує на те, що між атомами й молекулами тіла існують сили,
які втримують їх одне біля одного. Інакше кажучи, між молекулами,
як  і  між  атомами,  діють  сили  притягання,  або  сили  зв’язку,  сили
зчеплення.
Сили притягання діють і між частками різних речовин. Якщо,
приміром,  на  гладку  поверхню  води  опустити  скло,  підвішене  на
нитках,  а  потім  спробувати  його  підняти,  то  для  цього  теж  буде
потрібно значне зусилля. Справа в тому, що молекули води притя-гуються до скла.
Однак  чому,  як  правило,  не  вдається  відновити  цілісність  роз-ламаного тіла, знову приставивши до нього відділену частину? Ви-являється, тому, що сили зчеплення діють тільки на мізерно малих
відстанях.  Ці  відстані  можна  порівняти  з  розмірами  самих  атомів
і молекул.
Таким чином, між атомами й молекулами діють не тільки сили
притягання, але й сили відштовхування. Якщо розтягти пружину,
а потім відпустити, то її частки, притягаючись одна до одної, змусять
пружину знову стиснутися. Але якщо пружину стиснути й відпусти-ти, то вона розпрямиться. Причиною цього є сили відштовхування.
Вони виявляються, коли частки пружини перебувають на відстанях,
менших, ніж ті відстані, на яких перебували частки в нестиснутій
пружині.  Така  поведінка  пружини  свідчить  про  те,  що  спочатку  її
частки перебувають на цілком певній відстані одна від одної. Якщо ця
відстань із якоїсь причини збільшується, сили притягання прагнуть  
повернути частки у вихідне (рівноважне) положення. Якщо ж від-стань між частками зменшується, повернути їх у вихідне положення
прагнуть сили відштовхування.
Цей приклад демонструє загальну закономірність, що характе-ризує  процеси  взаємодії  часток  у  речовині:  залежно  від  взаємного
розташування часток у речовині переважними виявляються або сили
притягання, або сили відштовхування.
Нижче наводиться опис елементарних дослідів, що підтверджу-ють наявність сил взаємодії між молекулами (атомами ) речовини.
Дослід 6
Розламують  шматок  крейди,  переламують  скіпу,  розривають
нитку. Для того щоб розламати шматок крейди, переломити скіпу,
розірвати нитку, потрібно прикласти зусилля.
Дослід 7
Скляна  пластина  підвішена  в  горизонтальному  положенні  на
пружині. Знизу до пластини підносять широку чашу з водою до зіт-кнення пластини з поверхнею води (мал. 2.5, с. 94). Потім посудину
з водою повільно опускають. Скляна пластина опускається разом з
поверхнею води вниз, розтягуючи пружину.
Дослід 8
Прозорий циліндр із поршнем заповнюють водою. При закрито-му випускному отворі роблять спробу всунути поршень, стиснувши
воду. Вода не стискується.
На щільну губку поміщають гирю. Спочатку гиря стискає губку,
а потім зупиняється, стискання припиняється. При великому збли-женні молекули відштовхуються одна від одної.
Дослід 9
Два свинцеві циліндри (свинцеві ошурки), які щільно прикладені
одне до одного свіжими зрізами, не розриваються навіть при порівня -но великому навантаженні (мал. 2.6).Між молекулами існує взаємне
притягання.
Рис. 2.5.    
Демонстрація  між мо ле-ку лярної  взаємодії  води
і скла
Рис. 2.6.    
Демонстрація між  мо ле ку-лярної  взаємодії  між  ато-мами свинцю
Рух часток речовини
Якщо  між  атомами  й  молекулами  існують  сили  зчеплення,  то
можна задати собі питання: чому всі атоми й молекули не з’єднуються
разом і не утворять одне велике щільне тіло?
Виявляється, причиною, що не дає атомам і молекулам щільно
притискатися  одне  до  одного,  є  їхній  рух.  Саме  рух  протидіє  тим
єднальним силам, які прагнуть з’єднати всі атоми разом.
В 1827 році англійський біолог Роберт Броун помітив, що помі-щені в рідину частки пилку рослин починають безладно рухатися,
хоча  оточуюча  їх  вода,  як  йому  здавалося,  була  зовсім  нерухома.
Броун не зміг зрозуміти, чому це відбувається.
У ХХ столітті видатний фізик Альберт Ейнштейн, уродженець
Німеччини,  пояснив,  що  частки,  поміщені  в  рідину  або  газ,  руха-ються завдяки ударам при русі молекул середовища,  у якому вони
перебувають.  Безладний  рух  малих  часток,  зважених  у  рідині  або
газі,  під  впливом  ударів  молекул  навколишнього  середовища  був
названий броунівським рухом часток.
Розвиваючи погляди Ейнштейна, учені прийшли до висновку, що
будь-яке тіло побудоване з маленьких  часток — атомів або молекул,
які  перебувають  у  нескінченному,  безперервному  русі.  При  цьому
атоми й молекули, як ми вже відзначали, не заповнюють суцільно
весь  простір,  що  займає  те  або  інше  тіло,  а   відділяються  одне  від
одного порожніми проміжками.
Три агрегатні стани речовини
Більшість  речовин  можуть  існувати  в  трьох  станах:  твердому,
рідкому й газоподібному. Ці стани називають агрегатними станами
речовини.
Перехід з одного стану в інший відбувається при зміні темпера-тури:  або  при  нагріванні,  або  при  охолодженні,  а  також  при  зміні
тиску. Наприклад, якщо воду-рідину підігрівати від кімнатної тем-ператури, вона буде перетворюватися на пару — газ. Це перетворення
буде  здійснюватися  тим  більш  інтенсивно,  чим  вища  температура
рідини.  І  нарешті  після  досягнення  певної  температури  вся  вода
перетвориться на пару й буде існувати вже тільки в газоподібному
стані. При охолодженні до певної температури вода замерзне й пе -ретвориться у тверде тіло — лід.
Учні  вже  знають,  що  всі  речовини  складаються  із  часток,  які
рухаються, між якими діють сили взаємодії. Природно, і швидкості
руху часток, і величина сил притягання між ними в різних речовинах
різна. Залежно від агрегатного стану речовини різною виявляється
й роль, що належить кожному із цих двох факторів, котрі характе-ризують взаємодію часток, з яких побудована речовина.
У газоподібній речовині молекули рухаються настільки швид-ко, що не встигають вступати в які-небудь сполуки одна з одною,
якщо атоми або молекули, наприклад, зустрічаються одне з одним,
прагнучи одне до одного. Але це їхнє прагнення виявляється без-надійним, оскільки швидкості руху часток у газі такі великі, що або
вони не встигають увійти в зіткнення, або, зіштовхнувшись, відска-кують і в наступну мить уже перебувають на великій відстані одне
від одного. Із цієї причини гази заповнюють весь наданий їм  об’єм.
У рідинах між атомами й молекулами існує більш тісний і безпе-рервний зв’язок. Однак їхній рух відбувається так швидко, що ніякий
зв’язок не може зберігатися постійно. Із цієї причини рідини легко
течуть і приймають форму посудини, у яку їх наливають, зберігаючи
при цьому свій об’єм.
У твердому тілі сили зчеплення настільки великі, що атоми й  мо-лекули  увесь  час  утримуються  на  своїх  місцях.  Однак  і  у  твердих
тілах ні атоми, ні молекули не є цілком нерухомими. Вони рухаються
й коливаються біля деяких середніх положень, так званих положень
рівноваги. Кожна частка рухається тільки в межах відведеної їй ді-лянки й не може без додаткової особливої причини нікуди піти за її
межі. Із цієї причини тверді тіла зберігають і свій об’єм, і свою форму.
У багатьох твердих тілах розташування часток нагадує бджолині
стільники або будівельні ліси: праворуч і ліворуч, вперед та назад,
нагору й униз тягнуться рівні, правильні, нескінченні ряди часток.
У цих випадках говорять, що частки утворюють кристалічну решіт-ку, а тіла з таким упорядкованим розташуванням часток називають
кристалічними  твердими  тілами,  або  просто  кристалами.  Кожна
кристалічна речовина має свою характерну тільки для цієї речовини
кристалічну  решітку.Установивши  за  допомогою  спеціальних  ме-тодів тип кристалічної решітки, можна однозначно ідентифікувати
ту або іншу речовину.
Кристалічних  речовин  у  природі  зустрічається  дуже  багато.
Майже всі мінерали на землі й майже всі гірські породи складаються
з кристалів.
Швидкість руху атомів і молекул будь-якої речовини визначає
ступінь  нагрівання  або  температуру  речовини.  Чим  ця  швидкість
вища, тим вища температура речовини.
Нижче наводиться опис дослідів, що виявляють макроскопічні
властивості речовин, які перебувають у різних агрегатних станах.
Дослід 10
Шматок льоду поміщають у хімічну склянку. Зауважується, що
лід має певну форму.Склянку з льодом нагрівають доти, доки весь
лід  не  розтане.  Рівень  одержаної  води  відзначають  покажчиком,
і нагрівання  триває.  Після  того,  як  вода  закипить,  стежать  за  рів-нем  води  в  склянці.  Він  знижується,  оскільки  вода  переходить  у
газоподібний стан.
Речовини в природі можуть перебувати в трьох станах: твердому,
рідкому й газоподібному.
Дослід 11
Демонструються тверді тіла різної форми. Звертається увага на те,
що всі тверді тіла мають певну форму, змінити яку важко.
Збереження об’єму й форми — властивість твердих тіл.
Дослід 12
У  циліндричній  склянці  зі  шкалою  знаходиться  вода.  Відзна-чається рівень води в склянці. Потім цю воду послідовно переливають
у круглодонну колбу, у конічну склянку, у вузьку високу мензурку
й, нарешті, знову в циліндричну склянку зі шкалою.
Рідина зберігає об’єм, але легко міняє свою форму.
Дослід 13
Повторюється дослід 1.
Дослід 14
Повторюється дослід 9.
Гази можна стиснути в тисячу разів більше, ніж рідини.
Дослід15
У  тіньовій  проекції  демонструється  переливання  вуглекислого
газу в склянку. У міру наповнення склянки вуглекислий газ починає
переливатися через край склянки.
Гази не мають постійного об’єму й власної форми — вони заповню-ють весь наданий їм об’єм.
Дифузія
Висновок про те, що атоми й молекули будь-якої речовини пере-бувають у постійному безладному русі, підтверджують багато явищ,
що відбуваються в природі.
Одне з них — дифузія — явище мимовільного перемішування
речовин. При самодифузії відбувається перемішування окремих
атомів або молекул тієї або іншої речовини. При взаємній дифузії
частки  однієї  речовини  перемішуються  із  частками  іншої  ре-човини.
Дифузія може відбуватися і в газах, і в рідинах, і у твердих тілах.
Гази перемішуються набагато швидше, ніж рідини, а рідини — на-багато швидше, ніж тверді тіла.
Дослід 16
Беруть дві пробірки: одна до половини наповнена водою, друга
до половини наповнена піском. Воду виливають у пробірку з піском.
Об’єм суміші води й піску в пробірці менше суми об’ємів води й піску
(модельний дослід).
Дослід 17
Довгу  скляну  трубку  до  половини  наповнюють  водою,  а  потім
зверху  наливають  підфарбований  спирт.  Загальний  рівень  рідин
у трубці відзначається гумовим кільцем. Після перемішування води
й спирту об’єм суміші зменшується (натурний дослід).
Між частками речовини існують проміжки.
Дослід 18
На класну дошку вихлюпують небагато одеколону. Через якийсь
час сліди одеколону з дошки зникають, а запахи рідини починають
відчуватися у всьому приміщенні.
Дослід19
Уздовж внутрішньої стінки високої циліндричної посудини опу-скають вузьку смужку фільтрувального паперу, просочену сумішшю
крохмального клейстеру з розчином фенолфталеїну. На дно посудини
поміщають кристали йоду. Посудину щільно закривають кришкою,
до якої підвішено вату, просочену нашатирним спиртом.
За  поширенням  по  смужці  паперу  вгору  синього  забарвлення
можна судити про рух молекул йоду. Одночасно вниз поширюється
малинове забарвлення — рух молекул аміаку. Через кілька хвилин
межі забарвлених ділянок паперу зустрінуться, і далі синій та мали-новий кольори змішаються.
Явище, при якому речовини самі собою змішуються одна з одною,
називають дифузією.

Категорія: Фізика 7 клас | Додав: uthitel (03.10.2014)
Переглядів: 3530 | Рейтинг: 5.0/1
Всього коментарів: 0
Ім`я *:
Email *:
Код *: