Научно-исследовательская работа по физике "Исследование механических свойств твердых тел"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ  КАЗЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ                «ТАШАРИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА»                   НАУЧНО­ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА            ИССЛЕДОВАНИЕ  МЕХАНИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ                                       ТВЕРДЫХ  ТЕЛ Выполнил: Тимошенко Юрий ученик 9 а класса Ташаринской СОШ Руководитель: Суворова Людмила Петровна  учитель физики первой квалификационной  категории МОШКОВО­2012г СОДЕРЖАНИЕ 1.Введение________________________________________________3         2. Твердость тел____________________________________________4                3. Деформация твердых тел __________________________________5         4. Пластичность и хрупкость тел______________________________7 5. Устойчивость и прочность твердых тел ______________________8 6. Фермы и арки ___________________________________________12 7. Прочность полых тел_____________________________________ 15 8. Заключение  ____________________________________________ 16 9. Литература  _____________________________________________17 2 «Скажи мне и я забуду, покажи мне, и я  запомню, дай мне действовать и я  научусь» Древняя мудрость                                            ВВЕДЕНИЕ Человечество   всегда   использовало, и   будет   использовать   твердые тела.   Мы   живем   на   поверхности   твердого   тела   –   земного   шара,   в   домах, построенных из  твердых тел. Орудия  труда  сделаны из  твердых тел.  Знать механические свойства  твердых  тел  необходимо. Твердые тела и материалы, которыми располагает общество, во многом определяют уровень его творческого развития. Физика твердого тела служит основой   современного   материала   ведения,   она   указывает   пути   создания технически   важных   твердых   тел   и   материалов   с   требуемыми   свойствами. Применение   большинства   твердых   тел   определяется   в   первую   очередь   их механическими   свойствами,   поэтому   из   всего   разнообразия   физических свойств механические свойства твердых тел   являются наиболее важными в изучении,   это   и   определило  актуальность   моей   работы:   исследовать некоторые   механические свойства твердых, тел так как в дальнейшей моей жизни они  мне пригодятся Цель моей работы:   1.Изучение и исследование свойств  твердых тел с применением законов физики 2.Показать связь между знанием  и истиной природы физических законов 3 3.Использовать собственный опыт и  знания для обработки информации познаваемого материала Задачи: 1.Точно излагать свои мысли и суждения о механических свойствах  твердых тел 2.Оценить полезность получаемой информации и понимать важность  знаний. 3Уметь применять полученные знания на практике и в повседневной  жизни Изучаемый объект: твердые тела Механические   свойства   материала   определяются   их   поведением   под действием   механической   нагрузки.  Основные   свойства   твердых   тел   можно разделить   на   деформационные:   жесткость,   пластичность,   ползучесть, твердость, и   прочностные: предел прочности, долговечность, усталость. Но механические   свойства   не   являются     постоянными   вещества,   они   могут зависеть   от   формы   и   размеров   изделия,   условий   испытания,   состава окружающей среды. Механические  свойства  могут изменяться по  времени. Для многих материалов характерна анизотропия – зависимость механических свойств от направления ТВЕРДОСТЬ  ТЕЛ Твердость тела имеет важное   значение в современной технике. Чтобы определить,   какое   из   двух   тел   тверже,   нужно   поцарапать   острым   углом одного тела по поверхности другого и наоборот. Если первое тело оставляет на втором заметную царапину, но само тело не получает царапины, то первое тело тверже второго. Самым твердым веществом в природе является алмаз. Некоторые   вещества,   искусственно   полученные   учеными,­   победит,  карбит бора, приближаются по своей твердости к алмазу. Твердость металла связана с его износоустойчивостью. Для повышения износоустойчивости металлов их подвергают термической и термохимической обработке: закалке, цементации. Ковка и штамповка металла также увеличивают его твердость.  Кованая сталь ­   тверже   литой   стали.   Твердость   сплава   обычно   больше,   чем   твердость 4 веществ, составляющих сплав. Так дюралюминий тверже   составляющих его алюминия, меди, магния и марганца, сталь тверже чистого железа и чистого углерода, бронза тверже меди и олова. Опыт1.    Я   взял   несколько   тел   из   разных   веществ:   латунную   монету, железный гвоздь, кусочек стекла с острым краем, лезвие стальной бритвы, пластину из  алюминия, меди, брусок из  свинца и олова. Поцарапал железным гвоздем   стальную   бритву,   а   затем   провел   бритвой   по   гвоздю.   Гвоздь   не оставляет   царапины   на   бритве,   но   бритва   оставила   царапину   на   гвозде. Отсюда вывод:  сталь  тверже железа. Аналогичным  образом  я поступил   со всеми взятыми мною телами и пришел к выводу,  что самое твердое тело это сталь, а самое мягкое это свинец. Вывод:  все испытанные твердые тела   можно расположить в порядке увеличения твердости в следующем порядке:  свинец, олово, алюминий, медь, латунь, железо, стекло, сталь.                             В минералогии для определения твердости минералов пользуются десятичной шкалой, которая соответствует набору десяти минералов, расположенных по возрастающей   твердости:   1.Топаз     2.Каменная   соль   3.Известковый   шпат 4.Плавиковый шпат 5.Апатит 6.Ортоклаз 7.Кварц 8.Топаз  9.Корунд  10.Алмаз ДЕФОРМАЦИЯ  ТВЕРДЫХ ТЕЛ               Деформация ­ это изменение формы и объема тела. Деформация и разрушение   твердых   тел   под   действием   приложенных   сил   ­   это   основные явления,   определяющие   механические   свойства   материалов.   Твердые   тела сопротивляются как изменению формы, так и изменению объема, то есть они сопротивляются любому деформированию. Большое количество твердых тел служит   для   изготовления   конструкций:   сооружений,   машин,   механизмов. 5 Конструкторы   должны   знать   поведение   материалов   при   значительных деформациях, условия, при которых материалы начнут разрушаться.        Опыт2.  Рассмотрим механические свойства твердого тела на примере исследования   деформации   растяжения   резинового   жгута   площадью поперечного сечения 7,2мм2. При малых деформациях под действием сил до 9Н   выполняется   закон   Гука   [  F=kх],   участок   (ОА).   Увеличивая   нагрузку, деформация уже не линейная (АВ). Тем не менее, после снятия нагрузки 11Н, форма и размеры  восстанавливаются (предел упругости). .  Увеличивая   нагрузку   снова,   деформация   нарастает   быстрее,   напряжение достигает   максимального   значения   и   под   действием   силы   25Н   (предел прочности) образец разрушается. Вывод:  у   каждого   твердого   тела   есть   предел   прочности,   напряжение   при котором тело разрушается. Предел прочности зависит от материала образца. Повышение   прочности   таких   широко   используемых   материалов   как   сталь, чугун, алюминий, медь и многих других является  задачей исключительной важности.    Деформацию твердых тел – растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб –   мы   встречаем   буквально   на   каждом   шагу.   Только   мы   мало   обращаем внимания на нее, так как не всматриваемся пристально. Но в окружающем нас мире   все   непрерывно   деформируется.   Большинство   деформаций   нельзя заметить   невооруженным   глазом.   Но   это   не   значит,   что   деформации   не существуют.   Так,   например,   под   действием   силы   мышц   изгибается   ручка, 6 бумага   и   карандаш   при   письме.   Под   действием   силы   тяжести   изгибаются сиденья скамеек, диванов, полы, тротуары, ступеньки лестниц по которым мы ходим,   изгибаются   рессоры   и   оси   вагонов,     сжимаются   шины   машин   и велосипедов.   Сжимаются,     растягиваются   и   изгибаются   балки   в   фермах железнодорожных мостов. Под давлением газов сжимаются поршни и шатуны в автомобильных и авиационных моторах. Сдвигаются по берегам оврагов и рек   слои   грунта   под   давлением   вышележащих   слоев   и   под   тяжестью проходящих   машин.  Детали   станков,   машин   и  различных   сооружений,  под влиянием нагрузок подвергаются часто   очень сложным деформациям,   все эти сложные деформации можно представить себе как сочетание нескольких простых деформаций, т. е. сочетание  растяжения, сжатия, сдвига, кручения и изгиба. Но эти пять видов деформаций можно свести к линейному удлинению ( растяжению) или укорочению (сжатию) и сдвигу.      Опыт3.Я взял кусок эластичного бинта и нанес на него 25 крупных точек.   Точки   расположены   параллельными   рядами   по   прямым   линиям   на   равных расстояниях   одна   от   другой,   составляют   правильный   квадрат.   Провел диагонали   этого   квадрата,   накрутил   концы   бинта   на   карандаши   и   начал растягивать бинт. 7 Вывод:  При   растяжении     изменилась   форма   фигуры   и   изменились   углы между диагоналями. Квадрат превратился в прямоугольник, а углы между диагоналями из прямых углов превратились в острые и тупые.  Но   прямые   углы,  образованные   горизонтальными   и   вертикальными   рядами точек, при деформации не изменились.                             ПЛАСТИЧНОСТЬ И ХРУПКОСТЬ Твердые   тела   делятся   на   пластичные   и   упругие.   Тела,   которое   после   вызвавших   деформацию, прекращения   действия   внешних   сил, восстанавливают   свою   форму   ­   называют   упругими   и   тела,   которые   не восстанавливают  форму, называют пластичными. Одни и те же тела могут быть   пластичными   и   упругими   в   зависимости   от   деформации.   Стальная линейка при сравнительно больших деформациях вплоть до относительного удлинения   =1%   остается   упругой,   не   примет   прежней   формы   только   при очень большой деформации. А при очень малых деформациях даже пластилин восстанавливает свою форму. Деление материалов на пластичные и упругие в значительной мере условно. В зависимости от возникающих напряжений один и тот же материал будет вести себя или как упругий, или как пластичный. Так,   при   очень   больших   напряжениях   сталь   обнаруживает   пластичные свойства.   Это   широко   используется   при   штамповке   стальных   изделий   с помощью прессов, создающих огромную нагрузку. Холодная сталь или железо с  трудом  поддаются   ковке  молотом.  Но  после  сильного  нагрева   им  легко придать любую форму. Большое значение на практике имеет свойство твердых тел, называемое хрупкостью. Тело называется хрупким, если оно разрушается при небольших деформациях.   Пластичные   свойства   у   хрупких   тел   практически   не проявляются 8 Опыт4.С высоты примерно двух метров я бросал на пол тела которые при   падении   разбились,   то   есть   оказались   хрупкими:   пробирка,   стакан, фарфоровое блюдце, керамический горшок. Стальной, алюминевый сосуды не разбиваются    значит, они не являются хрупкими. Повышенной  хрупкостью обладают чугун, мрамор, янтарь  УСТОЙЧИВОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Опыт5.  Возьмем короткую плоскую деревянную линейку и деревянную палочку такой же длины от старой школьной ручки, поставим их вертикально на бумагу, обведем их основания, и сравним  площади их поперечных сечений, площадь   сечения   линейки   больше   площади   сечения   деревянной   палочки. Затем поставим линейку и палочку вертикально на стол и сильно надавим. Линейка, площадь сечения которой больше площади сечения палочки, легче поддается изгибу.  Вывод:   устойчивость и жесткость стержня зависят от формы сечения. Чем больше площадь сечения, тем устойчивее и жестче тело.   Опыт6. Возьмем два одинаковых деревянных бруска. Первый брусок положим   плашмя   на   опоры.   На   его   середину   повесим   ведро   и   будем накладывать   в   ведро   тяжелые   грузы,   следя   за   прогибанием   бруска.   При нагрузке в     3кг брусок прогнулся на     3 см., а при нагрузке   4кг   брусок сломался. Возьмем  9 теперь  такой же брусок, но положим его на ребро и проделаем тоже самое. Под действием силы  3кг  брусок не прогнулся, и  при нагрузке  6кг брусок не     сломался.  Вывод: если ширина балки вдвое больше ее толщины, то балка поставленная на   ребро,   вдвое   прочнее   такой   же   балки     положенной   плашмя,   и   имеет большую жесткость, под тем же грузом она прогнется намного меньше. Опыт7. Жесткость и прочность зависят от формы поперечного сечения.  Вырежем две одинаковые   полоски бумаги. Положим одну полоску на две   спичечные   коробки,   поставленные   на   ребро.   На   середину   полоски положим монету 2 рубля. Полоска прогибается. Возьмем вторую полоску и отогнем ее края по всей длине так, чтобы она приняла вид желобка, покладем ее на спичечные коробки и сверху будем накладывать монеты 5 рублевые. Под действием   5   пятирублевых   монет   полоска   не   прогнулась,   только   под действием 6 монет она  прогибается. 10 Вывод: полоска с отогнутыми краями жестче прямой гладкой полоски.   Бумажная полоска­желобок является как бы частью двутавровой балки. Если склеить две такие бумажные полоски, то получится модель двутавровой балки. Известно, что двутавровая балка почти в 7 раз прочнее и в 30 раз жестче,   чем   балка   квадратного   поперечного   сечения   такой   же   площади, выполненная   из   такого   же   материала.   Благодаря   таким   качествам двутавровые   балки   нашли   широкое   применение   в   строительной   технике,  в строительстве   промышленных   и   высотных   зданий,   в   железнодорожном транспорте (рельс является разновидностью двутавровой балки.) Интересен такой факт: прочность двутавровой балки на изгиб остается устойчивой лишь до определенной длины (10м.), после чего уменьшается с увеличением длины и при определенной длине (50м.) балка может сломаться под собственным весом. При увеличении длины пролета перекрываемой балкой, начинается все сильнее   сказываться   на   ее   весе.     Палка   стремиться   переломать   сама   себя весом. Увеличение площади балки не является выходом из этой затрудненной ситуации.   При   перекрытии   больших   пролетов   балки   становятся   не выгодными,  но  ведь при  строительстве  мостов, ангаров,  подъемного крана необходимым требованием к конструкции является большая длина и детали, работающие на изгиб. 11 Опыт8. Всем известны чудесные купола, созданные  природой  например скорлупа куриного яйца. Попробуем раздавить его, сжимая ладонями вдоль большой оси. .  Это сделать очень трудно, а ведь отдельные кусочки яичной  скорлупы ломаются   очень   легко.   Имеются   купола,   у   которых   отношение   толщины оболочки к диаметру в несколько раз меньше того же отношения у яичной скорлупы. В Декаре, столице Сенегала, проектировали здание театра, внутри которого   не   должно   было   быть   ни   одной   колонны,   ни   одной   даже декоративной   опоры,   ­   все   здание   должно   было     представлять   собой огромную,   пустую,   тонкую   железобетонную   скорлупу,   покоящуюся   на специальном фундаменте. Когда все расчеты были сделаны, оказалось, что конструкции   не   хватало   прочности.   Между   тем   яичная   скорлупа, напоминающее   по   форме   здание   театра,   выдерживала   пропорционально   ее размерам   соответствующие   нагрузки.   Пришлось   обычное   куриное   яйцо подвергнуть   тщательному   изучению.   Установили,   что   его   прочность объясняется   тонкой   эластичной   пленкой­мембраной,   благодаря   которой известковая   скорлупа   является   конструкцией   выдерживающей   большое напряжение.   Этим   открытием   воспользовались   строители   при   сооружении театрального здания, только мембрана была изготовлена из армоцемента.                                ФЕРМЫ  И  АРКИ 12 Как   же     строительная     техника   перекрывает   пятидесятиметровые, стометровые   и   длинные   перелеты?     Для   решения   этой   задачи   используют специальные   конструкции   ­     фермы   и   арки.   Постараемся   разобраться   с принципом  устройства фермы. Опыт9.  Сядем за стол, положив на него обе руки, и крепко уцепившись за   спичку   большим   и   указательным   пальцами   обеих   рук,   попытаемся разорвать ее. Нам не удается разорвать спичку.     Поставим теперь спичку вертикально и, также поддерживая ее большим и указательным пальцами обеих рук, попытаемся ее сжать. Нам не удается сжать   спичку.  Теперь   попробуем   держать   спичку   горизонтально,  медленно будем надавливать большими пальцами обеих рук на ее середину. На изгиб и на слом не пришлось затратить больших усилий.  Когда  мы  идем по мостку, т.   е.   одну   или   две   доски     переброшенных   через   ручей,   доски   легко прогибаются под тяжестью нашего тела. А если вместо такого мостика взять ферму, конструкцию, преобразующую изгиб в растяжение и сжатие, то такая конструкция не прогибается.         А                                            Груз, давящий на середину горизон­                                                        тального бруса ВД, не изгибает его,                                                         но растягивает  вертикальный брус В                 С                      Д                АС и сжимает наклонные брусья 13 Самая простая ферма, называемая стропилами, служит для поддержания кровли, состоит  всего лишь из трех брусьев. Такая ферма известна несколько тысяч лет. Такие фермы и сейчас применяются при строительстве крупных перекрытий заводских цехов, зданий, железнодорожных мостов, используется в конструкции подъемных кранов.  Опыт10.  Вырежем   из   бумаги   два   одинаковых   прямоугольных   листа. Один лист оставим не тронутым, а другой сложим в гармошку. Гармошка должна быть сложена очень ровно, т. е. все рубчики должны иметь одну и ту же   высоту.   На   две   спичечные   коробки   положим   лист   бумаги,   а   на   него спичечный полный коробок, лист бумаги прогибается. Теперь на спичечные коробки   положим   второй   лист,   сложенный   в   гармошку,   на   гармошку спичечную коробку, на коробку поставим   стакан. Стакан будет устойчиво стоять на спичечной коробке. Будем наливать в стакан воду, под действием полного стакана с водой гармошка не прогнулась.          Вывод:  гофрированный   лист   устойчив   и   может   выдержать   нагрузку, равную   стократной   величине   его   собственной   массы.   Используя   принцип «сопротивляемости   по   форме»   в   США   построили   складчатые   купола пролетом   100   –   200   м.,   во     Франции   произвели   перекрытие   павильона пролетом 218 м. 14 Возьмем теперь гармошку с одним рубчиком и прямоугольную полоску бумаги.   Возьмем   полоску   за   один   конец   и   попробуем   удержать   ее   в горизонтальной плоскости. Не удается, полоска прогибается под действием собственной тяжести. Повернем полоску так, чтобы плоскость полоски шла вертикально. Полоска держится хорошо. Возьмем листок с одним рубчиком, держим   его   горизонтально,   кладем   на   него   резинку,   карандаш,   линейку, листок не прогибается. Еще раз убеждаемся в прочности листа гармошки            Опыт11.      Рассмотрим   теперь   принцип   устройства   арки.   Возьмем прямоугольный лист картона и положим его на опоры. Поставим 2 гири по 200г, картон прогибается. Согнем картонный лист в дугу, укрепим   между опорами и поставим на лист гирю 2кг. Картонная арка выдерживает этот груз. Арка – это конструкция, преобразующая изгиб в сжатие. Арка является самой древней   строительной   конструкцией,   она   известна   более  5000   лет.   Теория расчета   арки   была   предложена   гениальным   русским   техником   Иваном Петровичем Кулибиным, который спроектировал крупную арку из дерева для однопролетного   моста   через   реку   Неву   в   конце   18   века.   Для   арочных сооружений вместо дорогой стали используются более дешевые материалы: 15 камень,   бетон,   кирпич,   железобетон.   Эти   материалы   плохо   выдерживают растяжение, но хорошо выдерживают сжатие. ПРОЧНОСТЬ  ПОЛЫХ  ТЕЛ        Опыт12.     Возьмем два одинаковых полулиста бумаги,   обрежем   у них углы.   Возьмем   вязальную   спицу   и   туго     намотаем   на   нее   один   полулист, смажем   клеем   конец   намотанной   бумаги   и   дадим   подсохнуть.   Второй полулист намотаем на стеклянную трубку диаметром   1см, заклеим и тоже дадим подсохнуть. После чего вынем спицу и стеклянную трубку. Теперь на бумажные   трубки   на   повесим   ведерко.   Увеличивая   нагрузку,   проверим прочность трубок:                           Вывод:  трубка, снятая со спицы, выдерживает нагрузку в       2   кг,   трубка, снятая со стеклянной палочки, ­ 4 кг.  А полая трубка, сделанная из тонкого картона,  выдерживает еще большую нагрузку 8кг и она прочнее. Поэтому в машинах,   во   многих   сооружениях   используются   не   сплошные   стержни,   а полые   трубки.   Немецкий   архитектор     разработал   проект   Доллингер   высотного жилого дома по типу елки. На железобетонном трубчатом стволе, в котором   проложены   лифты,   кабели,   водопроводные   и   газовые   магистрали, укреплены, словно ветви, квартиры. 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ            Если раньше физика   твердого тела отставала от развития технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение переменилось. Теоретические   исследования   приводят   к   созданию   твердых   тел,   свойства которых   совершенно   необычны.   Получение   материалов   с   заданными механическими, магнитными, электрическими другими свойствами – одно из основных   направлений   современной   физики   твердого   тела. Исследование механических свойств показали, как широко применяются эти свойства   в   своей   жизни.   При   выполнении   этой   работы   я   накопил теоритические   знания,   проанализировал   практическую   значимость физических законов и явлений. В результате проведения исследований можно сделать   такие  выводы:   проведение   экспериментов   с   помощью   простых, примитивных подручных материалов позволяет повысить интерес к изучению физики воспитанию навыков нестандартного мышления, смекалки.    17 Литература 1. Кабардин О. Ф., Кабардин С. И. «Факультативный курс физики»­ М. Просвещение 1986г. 2. Покровский С. Ф. «Опыты и наблюдения по физики»­ М. А. П. Н. Р. 1963г. 3. Лапина И. П. «Не уроком единым»­ М. Просвещение 1991г. 4. http://sosch5skrin.siteedit.ru/page22  18