Программа элективного курса с использованием интернет ресурсов «Механические свойства твердых тел»
статья по физике (10 класс) на тему

Программа элективного курса с использованием интернет ресурсов

«Механические свойства твердых тел»

Составитель:  О.В Вахерс  учитель физики ГБОУ  СОШ 187 Красногвардейского района

Пояснительная записка

Элективный курс предназначен для учащихся 10-11 классов общеобразовательных школ рассчитан на 17 часа . Предполагает такое развитие школьников, которое обеспечивает переход от обучения к самообразованию. Ресурсы предлагаются разной сложности. Ученик самостоятельно выбирает уровень сложности. Курс состоит из нескольких частей.

1. Теоретическая часть  (учащиеся самостоятельно  находят и изучают теорию по предложенным  вопросам, пользуясь интернет ресурсами)
2. Физический практикум. ( используются простейшие методы исследования возможные даже там где нет необходимого оборудования)
3. Решение задач.

        5.   Отчет  учащихся о работе. Самооценка и оценка  практической полезности материала.

Основные цели курса

1. Знакомство с механическими свойствами твердых тел.
2. Влияние теории строения твердого тела на развитие науки о механических свойствах материалов
3. Развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей на основе опыта самостоятельного приобретения новых знаний, анализа и оценки новой информации.
4. Получение представлений о проявлении физических законов и теорий в практическом применении, методах научного познания мира.
5.  Развитие познавательного интереса к современной науке.
6. Дать возможность учащимся самостоятельно  провести практикум, и, по возможности модернизировать методы исследования.
7. Развивать умение наблюдать, анализировать, делать выводы, пользоваться информацией.

Содержание курса

Введение

Исторически сложилось так, что представление о механических свойствах металлов и  о получении металлов и их сплавов развивалось значительно быстрее, чем наука о строении твердых тел.

Мастера литейного дела, военные инженеры, кораблестроители, кузнецы создавали твердые, но гибкие стали, прочный чугун, мягкое листовое железо, не зная, что происходит с металлом  при его  выплавке или закалке. Использовались только собственные наблюдения и опыт. Развитие теории строения твердого тела внесло коррективы в учение о  механических свойствах металлов и дало возможность получить металлы и сплавы  необходимых свойств.

1.Деформации и механические свойства твердых тел.

Деформация и ее виды. Упругость, эластичность. Определение относительного удлинения.

http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/molek/uchpos/text/m5_06.htm

http://fizika.ayp.ru/3/3_7.html

http://www.physbook.ru/index.php/%D0%A2._%D0%94%D0%B5%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F

Задание: Продемонстрируйте отдельные виды деформаций, используя проволоку  из различных металлов или небольшие пластинки. Сделать выводы.

2.Характеристики механических свойств и их экспериментальное определение.

Определение и физический смысл напряжения σ = F/S. Диаграмма зависимости между напряжением и деформацией. Закон Гука. Предел прочности.

Механические свойства различных металлов изучают на образцах из данных материалов значительными нагрузками. Экспериментально эту зависимость  определяют при помощи специальных устройств, для механических испытаний образцов.    

  http://www-dev.niiar.ru/orm/rus/facilities/f-1.html,          http://www.melytec.ru/production/mechanicaltest/

Задание: Физический смысл модуля упругости обычно трактуется как напряжение, при котором длина образца увеличивается вдвое (следует иметь ввиду, что, для большинства известных твердых тел упругие деформации не достигают 1%. Следовательно,  толкование физического смысла упругости условно)  Докажите справедливость этого, решив задачу.

Проволока длиной 5м. и сечением 2мм2   при нагрузке 400 Н  удлинилась не 5 мм.  Как изменится длина проволоки если приложить напряжение равное  модулю Юнга ( Е= 1/α, α- коэффициент линейного расширения, численно равный относительному удлинению при напряжении равном единице)

3.Теоретическая  оценка характеристик механических свойств твердого тела и сравнение ее с результатами эксперимента. (лекция)

Рассчитаем основные характеристики механических свойств материала на примере расчета предела прочности при растяжении образца.

Необходимо найти силу F, при которой происходит разрыв образца, т.е. нарушаются силы взаимодействия между плоскостями в кристаллах. Работа силы равна А= F∙∆l (1), где  ∆l-растяжение на которое надо удалить плоскости друг от друга, чтобы преодолеть их силы взаимного притяжения.  С другой стороны разрушение связано с образованием новой поверхности, т.е. с увеличением поверхностной энергии. А= α∙2S (2), где S- площадь поверхности, α-коэффициент  поверхностного натяжения в кристалле  . Приравнивая (1) и (2) получим  F=2 α S/ ∆l Зная силу можно определить предел прочности, т.е. напряжение при котором происходит разрыв. Напряжение  σ = F/ S, σ =2 α / ∆l.

Порядок поверхностной энергии (поверхностного натяжения) для  алюминия α-  1Дж/м2 . Приняв ∆l=10 -10 м, можно подсчитать предел прочности алюминия. σ =2∙1010 Н/м2  .                                                                                     Экспериментально это значение равно (6-10)∙107 Н/м2   В данном случае теоретический результат отличается от экспериментального на 2-3 порядка.

Чтобы найти модуль Юнга, характеризующий упругие свойства материала, надо предположить, что до самого разрыва образца деформация остается упругой, т.е. справедлив закон Гука. σ =Еε

Если пределу прочности для алюминия удлинение  порядка ∆ α =10 -10 м, то  относительная деформация  ε= ∆ α/ α = 1/3, где α=3∙10-10 м. межатомное расстояние. Тогда модуль Юнга для алюминия рассчитанный для алюминия Е=σ /ε  =2∙1010 /⅓ н/м2  ≈6∙1010 н/м2 . Экспериментально определенный модуль Юнга  7∙1010 н/м2  по порядку соответствует с расчетной.

Следовательно, только часть механических свойств можно объяснить, исходя из модели идеального кристалла. Была выдвинута гипотеза о том, что причина расхождения теоретических расчетов и экспериментальных данных заключается в несовершенстве кристаллической решетки. Эта гипотеза нашла подтверждение в последующих экспериментальных исследованиях. Каковы же виды несовершенства кристаллов? Почему они возникают в кристаллах? Как они влияют на механические свойства материалов?

Задание. Для того чтобы разорвать твердое тело, надо затратить энергию. На что идет эта энергия? В какой вид она превращается?

4. Точечные дефекты и их образование.  Линейные дефекты (дислокация)

http://grokhovs2.chat.ru/si/si.html

http://solidstate.karelia.ru/~materials/files/Material/Unit%201/1_2_2.htm

http://twt.mpei.ru/ochkov/TM/lection1.htm

5. Экспериментальные методы изучения дефектов кристаллов  http://www.ph4s.ru/book_ph_kristal.html
6. Повышение прочности материалов, деталей, конструкций.

http://www.e-plastic.ru/main/articles/r2/pk01

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/143047/%D0%A3%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%

B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

http://www.christycomposite.ru/technology/kompozitsionnie-materiali-materiali-budushego.php

Физический практикум

Изучение деформации растяжения методом зеркальных масштабов. (использование зеркальных масштабов дает возможность измерить удлинение не всей проволоки, а лишь ее части, поэтому исключается погрешность за счет разматывания проволоки в местах ее крепления.)

Определение модуля Юнга

Цель работы: исследование упругих свойств стали и меди.

Оборудование: стальная и медная проволока различного сечения длиной 3 метра диаметром 0,2-0,5 мм., струбцина с блоком, грузы до 3 кг., линейка, микрометр, три зеркальных масштаба на подставках.

Выполнение работы

1. Собрать установку по рисунку 1.
2. Проволоку без перегибов закрепить одним концом в струбцину А, а второй перекинуть через блок В.
3. Подвесьте к свободному концу проволоки груз массой 0,5кг.  для того, чтобы выровнять проволоку.
4. На проволоку наденьте три нитяных или проволочных узелка и за ними поставьте три зеркальных масштаба, которые представляют собой  плоские зеркала с нанесенными на них миллиметровыми делениями.
5. Измерьте микрометром диаметр проволоки в нескольких местах и возьмите среднее значение. Определите площадь поперечного сечения.
6. Измерьте длину проволоки между С и Е , С и D.
7. Отметьте положение меток С,D,Е на зеркальных масштабах.
8. Увеличьте груз на 5Н. Осталась ли метка С на месте?. На сколько передвинулись метки D  Е?
9. Снимите груз. Вернулись ли метки D и Е  на место.
10. Увеличьте  груз на 10 и 15Н и каждый раз отмечайте удлинение   проволоки.
11. Проведите опыт с проволокой другого сечения,  из другого материала.
12. Рассчитайте модуль Юнга по формуле Е=Fl/S ∆l
13. Заполните таблицу.

Контрольные вопросы

1. Какая зависимость наблюдается между нагрузкой и абсолютным удлинением?
2. Зависит ли удлинение от материала?
3. Зависит ли модуль упругости от размеров образца?

Определение предела прочности.

Цель работы: исследование упругих свойств  меди.

Оборудование:  медная проволока различного сечения длиной 3 метра диаметром 0,2-0,5 мм., струбцина с блоком, грузы до 10 кг., линейка, микрометр, три зеркальных масштаба на подставках.

1. Собрать установку по рисунку 1.   Медную проволоку закрепить в струбцину А.
2. Измерить диаметр проволоки микрометром и рассчитать площадь поперечного сечения.
3. Свободный конец проволоки перекинуть через блок и начинать постепенно нагружать.
4. Данные измерений занести в таблицу.
5. По полученным данным построить график растяжения проволоки в зависимости от приложенного напряжения.
6. Выделить на графике участки, соответствующие зависимости выраженной законом Гука, пределу упругости, пределу прочности.

Контрольные вопросы

1. Перечислите механические характеристики твердого тела.
2. Какой вывод можно сделать о механических свойствах материала на выделенных участках графика?

Рис. 1

Решение задач

1. Груз массой 5 тонн равномерно поднимают из шахты глубиной 400м. с помощью стального торса сечением 300мм2 . Определите напряжение в поперечном сечении и запас прочности троса а) без учета веса троса;  б) с учетом веса троса. Плотность стали 8∙103 кг/м3, предел прочности стали 15∙108Н/м2.
2. При какой длине вертикально повешенный трос может разорваться от собственной тяжести?
3. Вы хорошо знаете опыт с двумя свинцовыми цилиндрами, которые зачищают и плотно прижимают друг к другу. При этом они могут выдержать значительную нагрузку, благодаря силам взаимодействия между частицами. Вычислите приблизительно величину нагрузки, которую должны выдержать цилиндры. Сила взаимодействия между молекулами примерно 5∙10-11 Н., силы короткодействующие т.е. быстро убывают с расстоянием, поэтому можно учитывать только взаимодействие в пределах одного слоя. Диаметр молекулы 3∙10-8см., Площадь сечения цилиндров определите сами. Проверьте на опыте правильность полученного результата. Как вы объясните расхождение теоретического результата с опытом?
4. Почему резцы не изготавливают из стекла, твердость которого равна твердости инструментальной стали?  (ответ: Резцы подвергаются различным деформациям. Предел упругости стекла мал, пластические деформации при комнатной температуре не возникают, а хрупкость большая, следовательно резец быстро разрушится)

Планирование курса

Литература

1. Физика 10 класс А.А Пинский  Москва «Просвещение» 2001г.
2. Факультативный курс физики. А.В. Перышкин Моска «Просвещение» 1987г.