Тепловое расширение металлического шара

Обновлено: 04.10.2024

Урок физики (факультатив) в 10 классе (2ч) по теме :

«Тепловое расширение тел. Линейное и объёмное расширение твёрдых тел при нагревании».

Цель урока : дать понятие о тепловом расширении тел и ознакомить учащихся с линейным и объёмным расширением твёрдых тел при нагревании, а также научить экспериментально, определить коэффициент линейного и объёмного расширения.

Ход урока.

I .Приборы и материалы.

Металлический шар с кольцом, штатив с лапкой, колба и водой, сухое горючее, или спиртовка, термометр, пробирка, стержни стальной и алюминиевый длиной 11- 12,5 см, установка для измерения коэффициент линейного расширения.

II . Демонстрации.

Объёмное расширение жидкости.

Объёмное расширение металлического шарика.

Определение коэффициент линейного расширения стали и алюминия.

III .Изучение нового материала.

Опыты показывающие, что при нагревании вещества расширяются.

1) Металлический шар при нагревании через кольцо не проходит.

2) При нагревании колба с водой объём воды увеличивается.


При нагревании твёрдых тел расширение заметить труднее, так как оно значительно меньше, чем жидкостей.

Все вещества при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимаются.

Теперь выясним, чем определяется величина такого расширения .

Большинство твердых тел имеет поликристаллическое строение, поэтому они являются изотропными.

При нагревании твердых тел расширение происходит по всем направлениям.

На практике приходится учитывать расширение только в одном направлении.

Изменение одного определённого размера твердого тела при нагревании называется линейным расширением .

Начальная длина стержня при t =0 0 C равна l 0

Конечная длина стержня при t = t 1 равна l

Изменение длины стержня

Опытным путём установлено, что изменение длины стержня прямо пропорционально изменению температуры и его начальной длине l 0.

Зависимость от рода вещества выражается коэффициентом пропорциональности

Величина , характеризующая зависимость линейного расширения при нагревании от рода вещества и внешних условий, называется коэффициентом линейного расширения.

Коэффициент линейного расширения показывает, на какую часть длины тела, взятого при 0 0 С, изменяется его длина при нагревании на 1 0 С.

(2); (3).

Объёмное расширение тел при нагревании.

Начальная длина стержня при t =0 0 C равна V 0

Конечная длина стержня при t = t 1 равна V

(4) (5); ); (6)

Величина , характеризующая зависимость объёмного

расширения тела при нагревании от рода вещества и внешних условий, называется коэффициентом объемного о расширения.

Коэффициент линейного объёмного показывает, на какую часть длины тела, взятого при 0 0 С, изменяется его длина при нагревании на 1 0 С.

Единица измерения является 0 С -1 или К -1

Между коэффициентами объёмного расширения и лилейного расширения

для твердого тела существует простая зависимость.

Получим это зависимость.

; = ∙ ; (7)

= ∙ , (8)

∙ = ∙ , (9) раскрывая скобки в (9) получим

= , (10) учитывая, что α очень мало , то α 2 и α 3 можно пренебречь.

Потому получим из (10) следующее = ; или = .

Тогда формулы для объёма расширения и для площади поверхности твердого тела при изменении температуры ∆ t принимает следующее:

При нагревании однородного тела произвольной формы расстояние между двумя любыми точками тела увеличивается .

Значение теплового расширения тел в природе и технике имеет большое значение.

В различных автоматических устройствах применяются биметаллические пластинки. Пластинка состоит из двух разнородных металлических полос, склепанных друг с другом.

При нагревании биметаллической пластинки одна полоса удлиняется больше другой и вся пластинка изгибается. Такие пластинки применяют для автоматического замыкания и размыкания электрических цепей в термостатах, в холодильниках, в противопожарных устройствах.

В горных местах происходят резкое колебания температуры при этом происходит поочередное расширению и сжатию горных пород.

В горных породах имеет сложный состав, возникает трещины, которые постепенно увеличивается, т. е. происходит разрушение этих пород.

Практическая работа .

Измерение коэффициента линейного расширения твердых тел.


Приборы и материалы:

индикатор часового типа; термометр до 100 0 С; линейка измерительная с миллиметрвыми делениями; пробирка; стакан с водой; прибор для определения линейного расширения твёрдых тел; стержни металлические 2 шт. (сталь, алюминий)

Выполнение работы.

1. Измеряют длину стержней ( l ) ( сталь, алюминий)

2. Наливают в пробирку воду.

3. Измеряют температуру воды

4. Собирают установку. Внимание! Установка собранная довольно чувствительно к сотресениям.

5. Стрелку индикатора устанавливают на 0.

6. Нагреватель включает в сеть. Через несколько секунд после этого стрелка индикатора перемещаться.

7. Когда вода в пробирке закипит, измеряют температуру кипения , выключают установку, движение стрелки индикатора прекращается.

8. Повторить опыт с алюминиевым стержнем.

9. Коэффициент линейного расширения определяется по формуле:

Первоначальные сведения о строении вещества

  • Участник:Астапенко Дмитрий Александрович
  • Руководитель:Гурьянова Г.А.

Техника по безопасным условиям труда (7 класс)

  1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
  2. До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.
  3. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
  4. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
  5. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
  6. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
  7. При пользовании весами взвешиваемое тело кладите на левую чашку, а разновесы на правую.
  8. Взвешиваемое тело и гири опускайте на чаши осторожно, ни в коем случае не бросайте их.
  9. По окончании работы с весами разновесы и гири поместите в футляр, а не на стол.
  10. При работе со стеклянным оборудованием соблюдайте осторожность, располагайте их на рабочем месте так, чтобы не разбить их..
  11. При работе с мензурками не пользуйтесь сосудами с трещинами или с повреждёнными краями.
  12. Если сосуд разбит в процессе работы, уберите со стола осколки не руками или тряпкой, а сметите щёткой в совок.
  13. При работе с динамометром не нагружайте его так, чтобы длина пружины выходила за ограничитель на шкале.
  14. При выполнении практических работ с применением ниток – не обрывайте нитки, а обрезайте их ножницами.
  15. При работе с жидкими веществами не пробуйте их на вкус, не разбрызгивайте и не разливайте.
  16. При опускании груза в жидкость не сбрасывайте груз резко.
  17. При пользовании рычагом-линейкой не забывайте придерживать свободный от грузов конец рукой.
  18. При работе с мелкими предметами (горох, дробь, гайки и т.п.) используйте их только по назначению.
  19. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
  20. Будьте внимательны и осторожны при работе с колющими и режущимися предметами.
  21. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
  22. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Первоначальные сведения о строении вещества» я проведу и объясню три эксперимента, описанных в учебнике Перышкина А.В. Физика. 7 класс.

Цель работы: развивать кругозор, логику мышления, умение демонстрировать и объяснять опыты, повышать интерес к физике и изучаемому материалу.

Выдвигаемая гипотеза: вещества состоят из мельчайших частичек, между которыми есть промежутки, частицы взаимодействуют друг с другом, притягиваются и отталкиваются.

Задолго до нашей эры народы Древнего Востока – египтяне, вавилоняне, ассирийцы, индусы и китайцы – накопили много естественнонаучных и технических знаний. В связи с необходимостью строить здания, храмы, пирамиды, с развитием мореплавания, потребностями измерений земельных участков и т. д. накапливались первоначальные сведения о свойствах различных материалов, о технике математических вычислений, о движении небесных светил.

Однако научные знания народов Древнего Востока не содержали данных о строении тел и о причинах отдельных явлений природы.

По дошедшим до нас сведениям первые высказывания по этим вопросам принадлежат ученым античного мира – Древней Греции и Древнего Рима. Среди этих ученых следует назвать Фалеса Милетского, Анаксимена, Гераклита Эфесского. Фалес, например, утверждал, что первоначалом всех вещей является вода, из нее образуются все вещи, а Анаксимен учил, что весь мир построен из воздуха. Древнегреческий мудрец Гераклит говорил, что первичной формой вещества является огонь.

Основная заслуга этих ученых заключается в том, что они поставили вопрос: из чего состоят окружающие нас тела? Сплошные ли они или построены из каких-то очень маленьких частиц, которые нельзя увидеть, но о существовании которых можно догадаться на основании наблюдений: испарения воды, стирания лезвий ножа и плуга при длительной работе и т.д.?

Древнегреческий ученый Демокрит впервые высказал гениальное предположение о том, что все тела состоят из мельчайших неделимых и неизменных частичек – атомов, которые находятся в движении и, взаимодействуют между собой, образуют все тела природы.

Основные мысли учения Демокрита об атомах были изложены римским поэтом и философом Лукрецием в классической поэме «О природе вещей».

Таким образом, древние ученые высказали многое из современных представлений о строении вещества. В ту пору их высказывания являлись, конечно, лишь гениальными догадками, основанными на наблюдениях, но не подтвержденными никакими экспериментальными фактами.

В России развитие идей древних ученых о внутреннем строении вещества продолжил М. В. Ломоносов.

Опыт № 1 по рис. 18. Тепловое расширение металлического шара

Возьму латунный шарик, который в не нагретом состоянии проходит сквозь кольцо. Если шарик нагреть, то, расширившись, он уже сквозь кольцо не пройдёт. Через некоторое время шарик, остыв, уменьшится в объёме, а кольцо, нагревшись от шарика, расширится, и шарик вновь пройдет сквозь кольцо.

По-видимому, все вещества состоят из отдельных частичек, между которыми имеются промежутки. Если частицы удаляются друг от друга, то объем тела увеличивается. Когда частицы сближаются, объем тела уменьшается. Частицы получили название молекулы (в переводе с латинского – «маленькая масса»).

Вывод из опыта № 1: при нагревании объем тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.

Тепловое расширение тел нужно учитывать при конструировании многих сооружений. Необходимо принимать меры для того, чтобы тела могли свободно расширяться или сжиматься при изменении температуры. Нельзя, например, туго натягивать телеграфные провода, а также провода линий электропередачи (ЛЭП) между опорами. Летом провисание проводов заметно больше, чем зимой. При тепловом расширении твердых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода.

Основная часть терморегулятора обычного электрочайника — биметаллическая система. Когда вода закипает, пластинка нагревается и изгибается, поднимая при этом контактную пружинящую пластинку. Контакт размыкается, и электронагреватель отключается. Когда вода остывает, биметаллическая пластинка также охлаждается. Она разгибается и освобождает верхнюю пружинящую пластинку — и чайник вновь можно включить.

Тепловое расширение воздуха создает движение воздушных масс в вертикальном направлении (нагретый, менее плотный воздух поднимается вверх, холодный и менее плотный вниз). Неравномерный нагрев воздуха в разных частях земли приводит к возникновению ветра. Неравномерный разогрев воды создает течения в океанах.

Нельзя после горячего чая сразу пить холодную воду. Резкое изменение температуры часто приводит к порче зубов. Это объясняется тем, что основное вещество зуба — дентин — и покрывающая зуб эмаль при одном и том же изменении температуры расширяются неодинаково.

Опыт № 2 по рис. 22. Схематическое изображение молекул

Молекула вещества – это мельчайшая частица данного вещества. Например, самая маленькая частица воды – молекула воды. Она состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода. Если разделить две молекулы воды, то образуется два атома кислорода и четыре атома водорода. Каждые два атома водорода могут соединиться в молекулу водорода, а атомы кислорода – в молекулу кислорода. Молекулы принято обозначать схематически, т.е. с помощью моделей молекул. Составлю из конструктора две молекулы воды. Синие шарики обозначают атомы кислорода, оранжевые шарики – атомы водорода. Затем разберу их на отдельные атомы и соберу из них одну молекулу кислорода и две молекулы водорода. Атомы можно сравнить с буквами, из которых по своим правилам можно собрать бесконечное число слов – молекул.

Вывод из опыта № 2: молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же вещества одинаковы. Например, воду, полученную из сока или молока, нельзя отличить от воды, полученной путем перегонки из морской воды.

Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. С помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле.

Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Если бы можно было уложить в один ряд вплотную друг к другу 10 000 000 молекул воды, то получилась бы ниточка длиной всего в 2 мм. Капля масла, например, может растекаться по воде слоем толщиной всего в 0,000002 м.

Опыт № 3 по рис. 27. Притяжение между молекулами стекла и воды

К пружине подвешиваю на нитке стеклянную пластинку так, чтобы её нижняя поверхность была расположена горизонтально. Замечаю показания динамометра. Эту пластинку подношу к сосуду с водой так, чтобы она легла на поверхность воды. При отрывании пластинки от воды пружина динамометра растянется гораздо больше. Разрыв произошел не там, где соприкасаются молекулы воды с частицами стекла, а там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом. Вода смачивает не только стекло, но и кожу, дерево и другие вещества.

Вывод из опыта № 3: между молекулами существует взаимное притяжение и отталкивание. Молекулы притягиваются или отталкиваются друг от друга в зависимости от расстояния между ними. Этим обусловлены многие явления, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, например, явление смачивания.

Притяжение между молекулами становится заметным лишь тогда, когда они находятся очень близко одна от другой. Уже на расстояниях, размером несколько больше самих молекул, притяжение молекул значительно ослабевает.

Благодаря притяжению молекул и эффекту смачивания мы можем писать и вытирать мокрые предметы. Явление смачивания и несмачивания обязательно учитывают в быту и технике. Применение фитилей для ламп, стирка, склеивание — все это предполагает хорошее смачивание. Водоплавающие птицы, наоборот, свои перья обрабатывают жиром, чтобы покров не намок, и птицы не замерзли. Стволы деревьев пронизаны мельчайшими трубочками — капиллярами (диаметр около миллиметра), по которым к кроне поднимаются питательные вещества, растворенные в воде. При строительстве домов фундамент изолируют от кирпичных стен, чтобы они не сырели. Для этого на фундамент кладут либо рубероид, либо другой материал, в котором капилляры отсутствуют.

Вывод из проделанных опытов

Проведенные исследования подтверждают выдвинутую гипотезу: все тела состоят из мельчайших неделимых и неизменных частичек – атомов, которые находятся в движении и взаимодействуют между собой, образуют все тела природы.

Тепловое расширение металлического шара





Тепловое расширение твердых тел


Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Одним из тепловых свойств твёрдого тела является его расширение при нагревании. Достаточно вспомнить опыт с металлическим шаром, который проходил через кольцо при комнатной температуре и застревал в нём, когда шар нагревали. Это говорит о том, что объём шара при нагревании увеличивался. Это физическое явление важно учитывать при проектировании и изготовлении самых разнообразных приборов, конструкций, строений, домов и мостов в условиях колебаний температуры окружающей среды. Не учёт тепловых деформаций может привести к катастрофе, аварии, разрушению целого здания и выходу из строя любого прибора, чувствительного к изменению температуры, приводящему к нежелательным деформациям и искривлениям. Для прокладки железнодорожного полотна всегда привлекают инженеров-физиков, так как они могут точно вычислить, какое расстояние должно быть между стыками рельсов, чтобы при нагревании или охлаждении пути не деформировались. Тепловое линейное расширение применимо для всех твердых тел. И рельс не стал исключением. Но есть одна деталь. Линейное изменение свободно происходит в том случае, если на тело не воздействует сила трения. Рельсы жестко прикреплены к шпалам и сварены с соседними рельсами, поэтому закон, который описывает изменение длинны, учитывает преодоление препятствий в виде погонных и стыковых сопротивлений. Если рельс не может изменить свою длину, то с изменением температуры в нем нарастает тепловое напряжение, которое может как растянуть, так и сжать его. Этот феномен описывается законом Гука.

Цель данной работы – изучение явления линейного расширения для некоторых материалов и разработка простейшего и доступного способа оценки такого расширения. Для достижения цели поставлены следующие задачи:

проведение литературного обзора по данной теме, ознакомление с проблемой

поиск простых способов оценки величины линейного расширения выбранных материалов

проведение эксперимента по оценке линейного расширение и попытка количественной оценки линейного расширения

Явление теплового расширения твёрдых тел

Что такое тепловое расширение.

В нашей жизни мы сталкиваемся с многими телами, которые имеют свой коэффициент расширения. Люди создают строительные конструкции, детали, которые при резком изменение температуры будут менять свою длину, свой объем. Это все может привести к разрушению материала. Мы должны узнать, с чем мы сталкиваемся в жизни, порой не задумываясь об этом.

Тепловое расширение

Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры . Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ∆ T и отсутствии внешних механических сил расширяется на величину ∆ L , равную.

∆ L = αL ∆ T Где α это коэффициент теплового расширения , отсюда
α =∆ L /( L ∆ T )

1).Расширение твердых тел.

При нагревании амплитуда колебания молекул увеличивается, расстояние между ними возрастает, и тело заполняет больший объем. Твердые тела при нагревании расширяются во всех направлениях.

2).Расширение жидкостей.

Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Вследствие большой подвижности молекул жидкость принимает форму сосуда, в котором находится.

Термометры всегда показывают собственную температуру. Только через определенное время эта температура становится равной температуре окружающей среды. Иначе говоря, термометрам свойственна определенная инерционность.

Жидкостные термометры.

Длина столбика жидкости ртути, спирта, толуола, пентана и других служит мерой температуры. Интервал измерения ограничен температурами кипения и замерзания жидкости в термометре.

Металлические термометры.

Металлический термометр представляет собой биметаллическую пластину, т. е пластинку, сваренную из полосок двух различных металлов. Вследствие разницы в тепловых расширениях металлов пластинка при нагревании будет изгибаться. Из длинной пластинки сгибают спираль. Наружный конец спирали закрепляют, а к внутреннему прикрепляют стрелку, которая указывает по шкале определённую температуру

Значение теплового расширения в природе.

Тепловое расширение воздуха играет большую роль в явлениях природы. Тепловое расширение воздуха создает движение воздушных масс в вертикальном направлении (нагретый, менее плотный воздух поднимается вверх, холодный и менее плотный вниз). Неравномерный нагрев воздуха в разных частях земли приводит к возникновению ветра. Неравномерный разогрев воды создает течения в океанах.

При нагревании и охлаждении горных пород вследствие суточных и годовых колебаний температуры (если состав породы неоднороден) образуются трещины, что способствует разрушению пород

Дифференциальное расширение имеет большое прикладное значение. Иногда очень трудно открыть металлические завинчивающиеся крышки на стеклянных или пластмассовых бутылках. Если верхнюю часть бутылки подержать под струей горячей воды, то металл расширится больше, чем стекло или пластмасса, и крышка легко откроется.

Стеклянная пробка, плотно вошедшая в горлышко стеклянной бутылки, также может быть вынута, если горлышко подержать под струей горячей воды. Хотя коэффициент расширения горлышка такой же, как и у пробки, но стекло очень плохой проводгик, и горлышко расширится до того, как пробка станет горячей, и пробку можно легко вынуть.

Расширение стекла часто становится предметом неприятностей дома. При наполнении стеклянной посуды горячей жидкостью она часто лопается. Причина состоит в том, что часть стекла, соприкасающаяся с горячей жидкостью, очень быстро приобретает температуру жидкости и расширяется, в то время как остальная часть остается холодной, поскольку стекло плохой проводник.

В результате внутри стекла устанавливается напряжение, и посуда лопается. При приготовлении джема предусмотрительный повар подогревает сосуд в духовке, прежде чем наполнить его джемом. Этим достигается то, что и стекло, и джем нагреваются до примерно одинаковой температуры. Ценная посуда из граненого стекла будет сохранена, если вы подумаете, стоит ли ее опускать в горячую воду.

Различное тепловое расширение в быту

Период маятника зависит от длины самого маятника. Когда температура повышается, длина маятника увеличивается и увеличивается период его колебаний. Маятник колеблется более медленно. На рисунке показаны два вида компенсированного маятника. На рисунке 1, а стержень сделан из инвара, а тело маятника-чечевица — из стали.

Расширение инвара по направлению вниз компенсируется расширением чечевицы вверх. При этом положение центра тяжести, а следовательно, и остаются неизменными. Для установки нужного периода колебаний маятника положение чечевицы регулируется винтом. Будучи однажды установленным в нужном положении, такой маятник самокомпенсируется.

На рисунке 1, б показан более сложный маятник. Незаштрихованные стержни имеют больший и расширяются достаточно, чтобы компенсировать расширение более длинных заштрихованных стержней. В наше время, когда большинство зданий снабжено центральным отоплением, в них поддерживается более или менее постоянная температура, но по-прежнему важно компенсировать тепловые эффекты.

Хотя линейные размеры и объемы тел при изменении температуры меняются мало, тем не менее это изменение нередко приходится учитывать в практике; в то же время это явление широко используется в быту и технике.

Дилатометр — измерительный прибор, предназначенный для измерения изменения размеров тела, вызванных внешним воздействием тепла(посредством теплообмена), давления, электрического и магнитного полей, ионизирующих излучений или каких-либо других факторов. Наиболее важная характеристика дилатометра — его чувствительность к абсолютному изменению размеров тела.

Один из наиболее распространённых типов данного прибора — тепловой дилатометр, который служит для измерения линейного или объемного теплового расширения образца в зависимости от температуры (приложение 1). Тепловое расширение является мерой того, как изменяется объём тела при изменении температуры.

Тензометрия

Тензометрия — совокупность экспериментальных методов определения механического напряжения детали, конструкции. Основана на определении деформаций или других параметров материала, вызванных механическим напряжением.[3]

Приборы для измерения деформаций называются тензометрами. По принципу действия тензометры (приложение 2) делятся на электрические, оптические, пневматические, акустические. В состав тензометра входит тензометрический датчик и показывающие устройства (индикаторы) и/или регистрирующие устройства. [3]

Тензометры, предназначенные для измерения деформаций во многих точках исследуемого объекта и снабжённые средствами обработки данных, их регистрации и передачи в качестве сигналов управления, часто называют тензометрическими станциями или тензостанциями.[3]

Измерение деформации с помощью тензорезистивных преобразователей –одно из самых сложных в технике электрических измерений. Сложность определяется малым диапазоном изменения сопротивления тензорезистора

под воздействием деформации. Изменения сопротивления тензодатчика чрезвычайно малы и составляют для 100 – Ом датчика около 0,0002 Ом на деформацию 1 мкм/м. Таким образом, деформация 1000 мкм/м (соответствующая приращению напряжения в стали примерно 200 МПа) изменяет сопротивление 100 Ом датчика на 0,2 Ом. Для преобразования столь малых изменений сопротивления в выходные сигналы напряжения, которые могут регистрироваться, в измерительных приборах широко используется в основном мостовая схема. Измерительный мост принято изображать в виде ромба, стороны которого называют плечами, а точки соединения плечвершинами или узлами моста. Мост Уитстона с питанием от источника постоянного напряжения состоит из трех функциональных частей . Это источник напряжения

U, четыре резистораь(R1, R2, R3, R4), образующие мост, и регистрирующая схема, включающая резистор нагрузки R м. В приведенных ниже уравнениях полагается Rм = ∞, так, что ток, протекающий через. Мост Уитстона 24 мост, не отвлекается в нагрузку. Такая ситуация наблюдается, ко

гда сигнал с мостовой схемы поступает на вход электронного усилителя или аналогоцифрового преобразователя (АЦП).

Выходное напряжение моста Уитстона (разность напряжений точек B и Д)

Из уравнения (1.1) следует, что U=0, если выполняется условие

При соблюдения равенства (1.2) мост называется сбалансированным. Это

означает, что малое напряжение разбаланса, вызванное изменением сопр

отивления, измеряется относительно нулевого или почти нулевого уровня. Этот малый сигнал легко может быть усилен до высокого уровня для последующей регистрации.Выходное напряжение ΔU

возникает при изменении сопротивления резисторов

R1, R2, R3, R4, на величины ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4. Такие изменения сопротивления возникают, например,вследствие деформации или изменения температуры тензорезисторов В соответствии с уравнением (1.1) изменение выходного напряжения ΔU, вызванное указанными малыми изменениями сопротивлений, составляет [1]

где член, характеризующий погрешность (нелинейность моста), описывается соотношением

Практическая часть

Для наблюдения и оценки теплового линейного расширения были предприняты три попытки:

1 оценка линейного расширения в помощью длинной стрелки (длинна 1 м), стрелка подвешивается на ось таким образом, чтобы расстояние от точки подвеса О до концов стрелы сильно различались. Длинное плечо свисало вертикально вниз под действием силы тяжести. К короткому плечу горизонтально пристыковывался конец стержня из исследуемого материала. Нагревание стержня должно приводить к его удлинению и, соответственно, к давлению на короткое плечо стрелы. Таким образом, длинное плечо должно показывать отклонение. К концу длинного плеча был размещён лазер, пятно на экране, расположенного на расстоянии 11 метров должно смещаться при нагревании исследуемого стержня.

2. оценка деформации в помощью тензодатчика

3. оценка деформации с помощью ёмкостных аналитических весов (Рис. 4)

Основные результаты.

Известная формула для расчета коэффициента линейного расширения

где l 0 , ∆ l – начальная длинна стержня и разница длин при нагревании образца, ∆ t – разница температур, не пригодна для расчетов, так как вместо длинны стержней измерялись силы давления на весы. В нашем случае расчет проводился по новой формуле:

где Р0 , ∆Р – начальное давление и разница давлений при нагревании образца, ∆ t – разница температур. В этом случае получен некий коэффициент, аналогичный коэффициенту линейного расширения – оценочный коэффициент α

В Табл.1 приведены результаты измерений силы давления на аналитические весы и расчетов оценочного коэффициента α

Таблица 1. Результаты измерений силы давления на аналитические весы и расчетов оценочного коэффициента α

7 класс

Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества
§ 7. Строение вещества

Ещё в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые учёные высказывали предположение о строении вещества. Греческий учёный Демокрит (460—370 до н. э.) считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. В научную теорию эта идея превратилась только в XVIII в. и получила дальнейшее развитие в XIX в. Возникновение представлений о строении вещества позволило не только объяснить многие явления, но и предсказать, как они будут протекать в тех или иных условиях. Появилась возможность влиять на прохождение явлений, объяснять свойства веществ, создавать новые вещества с заданными свойствами. Так появились вещества из пластмассы (пенопласт, плексиглас, стеклопласт, металлопласт и т. п.), синтетический каучук, который используют для изготовления шин для автомобилей, ластиков и др.

О том, что все тела состоят из мельчайших частиц, позволяют судить некоторые простые опыты.

Попытаемся сжать теннисный мячик. При этом объём воздуха, который заполняет мяч, уменьшится. Можно уменьшить и объём надувного шарика, и кусочка воска, если приложить некоторое усилие.

Объём тела изменяется также при его нагревании и охлаждении.

Проделаем опыт. Возьмём медный или латунный шарик, который в ненагретом состоянии проходит сквозь кольцо (рис. 18, а). Если шарик нагреть, то, расширившись, он уже сквозь кольцо не пройдёт (рис. 18, б). Через некоторое время шарик, остыв, уменьшится в объёме, а кольцо, нагревшись от шарика, расширится, и шарик вновь пройдёт сквозь кольцо.


С помощью опыта определим, как меняется объём жидкости при нагревании.

Колбу, наполненную доверху водой, плотно закроем пробкой. Сквозь пробку пропустим стеклянную трубочку. Вода частично заполнит трубку (рис. 19). Отметим уровень жидкости в трубке. Нагревая колбу, мы заметим, что через некоторое время уровень воды в трубке поднимется.




Следовательно, при нагревании объём тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.

Попытаемся объяснить, почему происходит изменение объёма тела.

По-видимому, все вещества состоят из отдельных частичек, между которыми имеются промежутки. Если частицы удаляются друг от друга, то объём тела увеличивается. И наоборот, когда частицы сближаются, объём тела уменьшается.

Тогда возникает вопрос: если все тела состоят из мельчайших частиц, почему они кажутся нам сплошными (например, железо, вода, стекло, дерево)?

Современная наука доказала, что частицы вещества так малы, что мы их не видим.

Для того чтобы убедиться в том, что частицы вещества малы, проделаем опыт.

В сосуде с водой растворим маленькую крупинку марганцовки. Через некоторое время вода в нём станет малиновой. Отольём немного окрашенной воды в другой сосуд и дольём в него чистую воду. Раствор во втором сосуде будет окрашен слабее, чем в первом. Потом из второго сосуда снова отольём раствор уже в третий сосуд и дольём его вновь чистой водой. В этом сосуде вода будет окрашена ещё слабее, чем во втором (рис. 20). Поскольку в воде растворили очень маленькую крупинку марганцовки и только часть её попала в третий сосуд, то можно предположить, что крупинка состояла из большого числа мельчайших частиц.


Этот опыт и многие другие подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из очень маленьких частиц.

ПРИТЕРТЫЕ ПРОБКИ


Всем хорошо известно, что при нагревании тела расширяются.
Иногда в стеклянном флаконе притертая пробка так туго сидит, что ее не вытащишь. Очень большое усилие применить опасно — можно отломить горлышко и порезать руки. Поэтому прибегают к испытанному способу: к горлышку подносят горящую спичку, а флакон поворачивают, чтобы горлышко равномерно прогрелось.



Пламени одной спички достаточно, чтобы стекло горлышка от нагревания расширилось, а пробка, не успевшая нагреться, легко вынулась.

УДЛИНЕНИЕ ИГОЛКИ


Вырежь из пробки, из дощечки или выпили из фанеры такую дужку, как у нас на рисунке. Иглу воткни острием в целый конец дужки (на рисунке — левый), а ушком свободно положи на правый, срезанный. Подбери другую иголку, потоньше. Ее острие должно пройти сквозь ушко первой, горизонтальной иглы да еще войти в дерево на 2— 3 мм.

Эта вертикальная игла будет стрелкой нашего приборчика. Чтобы ее движение было заметнее, рядом воткни вторую, контрольную.


Контрольная иголка должна быть параллельна иголке-стрелке.
Нагрей теперь горизонтальную иглу на свече или спичке.
Она удлинится, ушко поползет вправо и отклонит вертикальную стрелку!


ТЕПЛОВЫЕ ВЕСЫ


Опыт 1

Для этого возьмите прямой кусок медной проволоки толщиной 1—2 миллиметра, длиной около 40 сантиметров. Воткните конец этой проволоки в отверстие, просверленное в деревянной палке примерно такой же длины, и подвесьте получившееся коромысло тепловых весов за середину на нитке. Уравновесьте его.



Может быть, для этого нужно будет подрезать деревянную палочку или, наоборот, подвесить к ней небольшой груз, например кусочки бумаги. Можно добиться равновесия и передвигая точку подвеса коромысла. Осветите коромысло настольной лампой, чтобы на стене один его конец, например медный, давал тень. На этом месте укрепите на стене белую бумагу и отметьте карандашом положение тени, когда коромысло висит строго горизонтально. Затем возьмите две зажженные свечи и подставьте их под медную проволоку. Когда она хорошо нагреется, она удлинится, и равновесие нарушится. Потому что нарушилось соотношение плеч. Конец проволоки опустится на несколько миллиметров. Это будет хорошо видно по тени на стене.

Если свечи убрать, медная проволока остынет, станет короче, то есть такой, какой была до нагревания, и коромысло наших тепловых весов, вернее, его тень встанет на свою метку.


Опыт 2

Красивый опыт можно сделать со стальной вязальной спицей.
Пропусти ее сквозь пробку (или обрезок моркови). По обе стороны спицы воткни в эту пробку две булавки, как показано на рисунке. Они должны стоять острыми концами на донышке стакана.



На концы спицы насади по морковке. Лучше не серединкой, а так, чтобы основная часть каждой морковки была внизу. Это сделает равновесие спицы более устойчивым: ведь центр тяжести опустился ниже! Получилось что-то вроде весов, Передвигая морковки, добейся, чтобы спица стояла совершенно горизонтально.

Получилось?
Ну, а теперь поставь под одно плечо этих весов зажженную свечу.
Внимание… Смотри-ка: нагретое плечо опустилось! Убери свечу — и через некоторое время равновесие восстановится.

В чем здесь дело?
Неужели одна сторона спицы от нагревания стала тяжелее? Нет, конечно. Просто она стала длиннее, и морковка «отъехала» дальше от точки опоры. Поэтому она и перетянула, как птичка перетягивала бегемота! А когда спица остыла, она снова укоротилась, и все стало по-прежнему.


РАЗЪЕДИНЕНИЕ СТАКАНОВ


Все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются – закон!
Дома мы то и дело сталкиваемся с проявлениями коварного закона: то треснет стакан, в который налили кипяток, то сожмет давлением завинчивающуюся крышку на банке так, что и не открыть, то лопнут от сильного мороза водопроводные трубы (в последнем примере речь идет о «неправильном» поведении воды, ведь она расширяется и при замерзании).
Но лучше с этим законом дружить!


Опыт

Как разъединить два стакана, вставленные один в другой?


Вчера их вымыли горячей водой да так и оставили. И они «схватились» так, что скорее разобьются, чем разделятся. Налейте в верхний стакан холодной воды, а второй опустите в миску с горячей водой. Несколько мгновений — и жестом фокусника вы их разделите.


РЖАВЫЙ ВИНТ


Шляпку заржавевшего винта, который никак не поддается отвертке, нагрейте паяльником. Дайте винту остыть и повторите попытку.


От резкого расширения, а затем сжатия частицы ржавчины и других посторонних веществ на поверхности резьбы должны отделиться. Если это не поможет сразу, повторите нагрев.

ДОСКА ВДРЕБЕЗГИ


Если вы хотели бы продемонстрировать свою силу, то есть показать, как под ребром вашей ладони разлетается в щепки толстая доска, выдаем тайну одного циркового артиста: перед выступлением он вымачивал подготовленную доску в воде и выставлял ее на мороз. Потом давал оттаять, снова мочил и опять замораживал. И так несколько раз.

Как вы догадываетесь, замерзающая вода рвала древесные клетки, и доска становилась рыхлой, некрепкой. Разломать ее резким ударом ладони нетрудно. Впрочем, обманывать нехорошо…
Кстати, что надо сделать с бубликом, чтобы увеличить его дырку?


РАСШИРЕНИЕ ШАРИКА


Проделаем опыт с расширением от нагревания твердого предмета. Хорошо бы найти металлический шарик от бильярда или от шарикового подшипника. По его размеру подыщите какую-нибудь металлическую пластинку с отверстием. Если диаметр отверстия меньше шарика, круглым напильником расширьте его.



Добейтесь, чтобы шарик, если его положить на отверстие, проваливался, не задерживаясь в нем. Но и зазора между шариком и отверстием не должно быть. Положите шарик на горячую плиту. Если плита газовая, то положите на металлический кружок, который есть у каждой хозяйки для предохранения некоторых блюд от подгорания. Когда шарик хорошо нагреется, возьмите его плоскогубцами и быстро положите на отверстие в пластинке, заранее укрепленной над металлической коробочкой. Шарик от нагревания увеличится в размере и в отверстии будет держаться до тех пор, пока не остынет. Когда остынет, сам проскочит сквозь него.


РАСШИРЕНИЕ МОНЕТЫ


Нагрейте монету и снова попробуйте ее пропустить между пластинками. У вас ничего не получится до тех пор, пока монета не остынет и не примет прежние размеры.



Еще проще можно проделать опыт при помощи двух гвоздей, забитых в дощечку. Расстояние между гвоздями должно равняться диаметру неразогретого пятачка.

Источник: "Здравствуй физика", Л.Гальперштейн; журн. "Юный техник"; "Космос у тебя дома" Ф. Рабиза

Читайте также: