Тепловое расширение твёрдых тел и жидкостей

на прошлом уроке мы познакомились с понятием температуры и с устройствами которые могут измерять эту физическую величину и вот оказалось что один из способов измерения температуры основан на том что от температуры зависят размеры тела это явление получило название тепловое расширение и на сегодняшнем уроке мы подробнее поговорим об этом явлении пока на качественном уровне а завтра уже перейдем к количественному описанию теплового расширения итак тема урока тепловое расширение твердых тел и жидкостей и газов тема тепловое расширение твердых тел и жидкостей и газов тепловое расширение твердых тел в жидкости и газов домашнее задание вчера я попросил вас скачать сайта классы листочек с задачами и как раз по этому листочку будут заданы и задания конспект то что мы с вами сегодня напишем и нарисуем с тремя восклицательными знаками и задание на листке номер 1-5 подробно что значит подробно мы пока что количественно не описываем явление теплового расширения а эти задачи качественно то есть это вопросы нужно будет на них ответить так как вы отвечаете на вопросы на физическом диктанте но теперь что такое тепловое расширение это изменение размеров тела при изменении его температуры давайте запишем тепловым расширением называется тепловым расширением называется изменение размеров тела изменения размеров тел при изменении их температуры тепловым расширением называется изменения размеров тел при изменении их температуры изменения размеров тел при изменениях температуры обратите внимание как уклончиво я говорю я не говорю увеличение или уменьшение изменения дело в том что еще вчера я вам говорил что некоторые вещества ведут себя необычно большинство веществ увеличиваются большинство веществ увеличивают свой объем там или линейные размеры при увеличении температуры но вот вода например ведет себя странно в диапазоне температур от 0 до 4 градусов цельсия она при нагревании уменьшает свой объем кстати это очень важно например для того чтобы существовала жизнь в водоемах в зимнее время потому что если бы было по-другому то реки и озёра промерзали бы до дна и рыбы там не могли бы жить но речь сейчас пойдет не об этом оказывается тепловому расширению подвержены твердые тела жидкости и газы мы уже видели на прошлом уроке тепловое расширение воды а сегодня продемонстрирую я вам тепловое расширение твердых тел еще раз мы рассмотрим теплового расширения жидкостей и продемонстрирую теплового расширения газов и мысом сравним с вами масштабы этих эффектов давайте начнем с твердых тел ну наверное вы не замечали теплового расширения твердых тел например вы не замечаете что размеры линейки летом больше а зимой немножко меньше так если вынести эту линейку например на мороз то мы не заметим что она станет короче хотя на самом деле это произойдет просто этот эффект очень слабы поэтому для того чтобы его зарегистрировать нам нужны какие-то специальные меры нам нужно создать прибор который позволяет регистрировать очень небольшие изменения длины и вот сейчас мы такой прибор с вами сконструирован и так запишем расширение твердых тел или просто запишем твердое тело первое твердое тело в качестве тело тепловое расширение которого мы будем изучать будет вот эта медная трубка давайте сделаем так закрепим эту медную трубку с одной стороны вот она уже зажата в тиски и поставим отечески на подставочку и будем эту трубку нагревать ну а для того чтобы зафиксировать изменения длины нам нужно какое-нибудь устройство которое позволяет это изменение заметить она судя по нашему повседневному опыту будет очень небольшим поэтому если мы просто линейкой будем измерять длину этой трубки при разных температурах мы ничего не заметить давайте поступим следующим образом положим на подставку конец этой трубки а теперь для того чтобы было заметно небольшое изменение длины я подложу сюда стеклышко просто потому что она гладкая возьмем иглу от шприца и вот так вот положим на эту иголку положим конец металлического стержня металлической трубки что будет происходить с иглой когда трубка будет удлиняться она будет катиться так а для того чтобы это заметить мы сейчас к иголке пределы стрелку все делаем своими руками в этот опыт можете провести дома возьмем плотную бумагу вырежем из нее стрелку побольше сделаем ей и нам нужно будет на эту стрелку наколоть иглу или наоборот стрелку на кого-то на иглу чтобы было заметней положение кончика стрелкой я его немножко покрашу вот так маркером и теперь скажите пожалуйста вот и 2 как грамотно в каком месте грамотно будет проткнуть эту стрелку для того чтобы она под своим весом не крутилась пожалуйста в центре тяжести правильно вы оба правильно сказали как его можно быстро найти провести через вершины треугольника теоретик ты наш а быстро на глазок палец подложить ребята смотрите я кладу палец так чтобы эта стрелка была горизонтально вот и теперь главное не попасть в палец не проколоть себе палец теперь я накалываю в этом месте иглу и вот она уже под своей тяжестью не будет поворачиваться и теперь эту стрелку мы располагаем кода видите катана тонко реагирует на все происходящее малейшие изменения положения тут же заметны благодаря тому что игла поворачивается на заметный угол ну и наконец еще давайте здесь сделаем отметку вот так и подгоним иглу под эту отметку вот так нарисуем эту замечательную установку у себя в конспектах и так стержень с этой стороны он закреплен жестко зажат в тиски с этой стороны конец стержня лежит на игле и поясняем металлический стержень здесь eglo eglo на подставке подставка специально сделано стеклянной чтобы была гладкая чтобы игла легко катилась потому что вот этот цилиндр деревянные у него пару поверхность не очень ровная подставка и на иглу на колота стрелка вот и здесь какое-то делению против которой установился конец стрелки стрелка стрелка есть теперь давайте испытаем нашу установку для этого нужно нагреть трубку нагревать будем с помощью газовой горелки наблюдайте за положением стрелки как там сейчас она против деления до почти а теперь давайте греть [музыка] ну что вы видите что стрелка поворачивается почему она поворачивается потому что игла обращаются почему игла вращается потому что удлиняется стержень почему удлиняется стержень потому что увеличивается его температура что мы сейчас получили цепочку причинно-следственных связей давайте эту цепочку воспроизведем и так стрелка у нас поворачивается вот в этом направлении и занимает вот такое новое положение когда это происходит тогда когда мы начинаем над плач стержень и так что мы видим стрелка поворачивается спрашиваем почему так как игла вращается почему игла вращается так как стержень удлиняется почему стержень удлиняется [музыка] потому что увеличивается расстояние между молитву ты очень глубоко заглянул правильно артем действительно увеличивается расстояние между молекулами а ну давайте теперь чуть-чуть остановимся на этом важном моменте как ведут себя молекулы в этой трубке твердого тела пожалуйста они колеблются что происходит ска либо они колеблются вокруг своих положений равновесия мы только-только колебательное движение закончили изучать что происходит с этим колебательным движением когда растет температура увеличивается что у вы знаете уже это слово увеличивается амплитуда колебаний размах колебаний увеличивается размер и самих молекул меняются при этом нет а что изменяется когда растет com амплитуда колебаний расстояния между молекулами расстояние между молекулами увеличивается следовательно стержень удлиняются значит стержень удлиняется так как увеличивается расстояние между молекулами но очень глубоко капнули я даже не ожидал что мы до этого уровня поднимемся или опустимся даже не знаю а расстояние между молекулами увеличивается так как они быстрее колеблются on плит точнее амплитуда колебаний увеличивается так как увеличивается амплитуда колебаний амплитуда колебаний увеличивается так как растет температура так как растет температура настоящая наука и состоит в том чтобы вот эту невидимую связь между различными явлениями сделать видимой здесь целая цепочка явлений поворот стрелке повороты glee удлинение стержня увеличение расстояния между молекулами увеличение амплитуды колебаний увеличение температуры вот эти явления связаны между собой причина следствие связями и ученые изучая природу в частности неживую природу физики стараются установить вот эту связь сейчас мы ее установили на качественном уровне то есть без количественного описания на следующем уроке мы займемся уже количественным описанием кстати если мы посмотрим на наш прибор то мы видим что трубка остывает и стрелка возвращается в свое исходное положение еще не совсем но если подождать достаточно долго она вернётся в исходное положение скажите пожалуйста на сколько примерно градусов нагревал я эту трубку какой на сотни градусов на 14 случае изменения температуры было сотни градусов и только при этом стала заметном изменении положения стрелки до саша [музыка] так если нагреть по всей длине конечно расширение будет заметно ты видел когда я нагревал я перемещал горелку так кстати если я нагреваю здесь то соседние области оказывается тоже нагреваются но об этом подробнее мы будем говорить на следующих уроках пошли дальше мы с вами изучили поверхностно тепловое расширение твердых тел теперь вернёмся к тепловому расширению жидкости эта установка нам уже не нужно мелко тоже не нужно пока что достаем установку для изучения теплового расширения жидкости она вам знакома мы ее вчера уже использовали в качестве прототипа жидкостного термометра но сейчас я не буду повторять ту демонстрацию в полном объеме а покажу вам одну тонкость эффекта и попрошу объяснить почему так происходит для того чтобы эту тонкость увидеть нам опять таки нужно увеличенное изображение сейчас мы выведем на экран трубку в которой есть жидкость так и сделаем так вот обращаются к крану настраиваем разделяем и краб на две части и подгоняем вот эту стрелку от это деление подгоняем под жидкость что я делал в прошлый раз прошлый раз я ставил колбу в эту кастрюлю и наливал потихонечку горячую воду теперь я поступлю немножко по-другому опыт проведем в другой версии опять беру горячую воду наливаю горячую воду в кастрюлю а теперь я резко надену эту кастрюлю на колбу то есть я быстро погружу колбу в горячую воду смотрите что будет с положением столбика жидкости внимание погрузил вы видели как он себя повёл сначала он сначала опустился а потом начал подниматься опустился он немного но все-таки мы это видели до можете объяснить почему это произошло коля не может саша это было бы в диапазоне температур от нуля до четырех утра до 4 градусов у нас здесь больше 20 пожалуйста лего вы думаете что тут 4 градуса было боже упаси тут комнатная температура я не собираюсь ни в чем же дело может коля догадался сначала столбик опустился а потом пошел вверх почему саша [музыка] я вижу ваши лица изменились да действительно ведь сначала нагрелась колба а потом начала нагреваться вода колба сделана из твёрдого тела твердые тела как мы только что продемонстрировали хоть немножечко но расширяются поэтому объем куба увеличился объем воды еще не успел в результате вода как бы провалилась в эту колбу и уровень жидкости понизился а потом начала нагреваться вода и столбик жидкости пошел вверх кстати мы объяснили этот эффект но кроме этого мы можем сделать ещё очень один важный вывод один очень важный вывод что сильнее расширяется стекло из которого сделана колба или вода которая налита вода потому что есть сильнее расширялась стекло стер столбик жидкости продолжал бы опускаться а он сначала опустился потому что нагрелась только стекло а потом поскольку вода нагреваясь сильнее расширяется чем стекло столбик пошел вверх давайте этот опыт зарисуем тоже так это полотенце для других целей и так следующее что мы видим это расширение жидкостей второе жидкости изобразим вот эту колбу сейчас я весь и к покажу вот колба она целиком заполненных подкрашенной водой пишем колба с водой это у нас тонкая трубка я напишу просто трубка и здесь у нас кастрюля сосуд по научно в которой мы наливаем горячую воду горячая вода и сначала столбик опускается но потом подымается ну давайте мы не будем говорить об этих тонкостях еще раз а сразу рассмотрим ситуацию когда жидкость внутри уже прогрелась в этом случае столбик жидкости вот она более густой штриховкой показано так как она настёнка столбик жидкости поднимаются столбик жидкости поднимается столбик жидкости поднимается почему это происходит давайте опять таки проследим цепочку причинно-следственных связей столбик жидкости поднимается поднимается так как так как что происходит увеличивается объем да так как увеличивается объем жидкости почему увеличивается объем расстояние между молекулами увеличивается так как увеличивается расстояние между молекулами а расстояние между молекулами и увеличивается так как увеличивается амплитуда колебаний молекул только чем отличается движение молекул жидкости от движения молекул твердого тела молекулы твердого тела колеблются все время вокруг одних и тех же положений равновесия а молекулы жидкости поколебались вокруг одного положения равновесия а потом раз перескочили в другое положение равновесия через некоторое время молекула перескакивает в новое место и продолжает колебаться на новом месте но все равно амплитуда колебаний возрастает а это значит увеличивается расстояние между молекулами увеличивается расстояние между молекулами так как увеличивается амплитуда их колебаний , так как увеличивается температура увеличивается температура есть скажите пожалуйста на сколько градусов по порядку величины я нагревал с помощью горячей воды жидкость в этой колбе на десятки градусов значит вспомним когда речь шла о твёрдом теле мы нагревали на сотни градусов и эффект становился заметным здесь мы нагреваем на десятки градусов и эффект становится заметным то есть видно что жидкости расширяются сильнее чем газы очень хорошо чем твердые тела прошу прощения а теперь переходим к следующему агрегатному состоянию вещества газы третье газы давайте возьмем установку демонстрирующую тепловое расширение газов она очень похожа на установку для изучения теплового расширения жидкости ну она все-таки немножко по-другому устроена давайте я покажу вблизи как устроена эта система для этого камеру немножко опустим переведём на более общий план так а мы сейчас увидим это верхняя часть такая же как в случае жидкостей а вот в нижней части вода налито только самую нижнюю часть а средняя часть заполнена воздухом конец трубки погружен в жидкость жидкость подкрашена теперь давайте посмотрим расположен шкалу вот так наша шкала из одного деления состоит так чуть чуть приподними вот и теперь изменим температуру этой этого воздуха который находится внутри артем может сюда подойти правильно вот даже не надо было просить держи вы видите какой артем горячие что ли ты здоров и тебя нормальная температура нормальная температура как вы думаете насколько повышается температура воздуха внутрь этой колбы сидит на какие-то градусы и эффект уже становятся заметим спасибо артём присаживайся так щас попробую почему жидкость поднимается сейчас мы сделаем рисунок потом ты расскажешь когда пока мы рисуем ты продумываешь вот эту логическую цепочку смотри только тут не все так просто как и в случае твердый я хорошо подожди сделаем рисунок и так делаем рисунок трубка вставлена в колбу аж до самого дна почти что вот так здесь пробка на дно налито подкрашенная вода подкрашенная вода эта вода уже частично заполнила уже частично заполнила трубку почему потому что почему поднялась жидкость по этой трубке что заставил ее подняться давление на самом деле перед тем как выносить эту колбу сюда я туда подул немножко пузырьков воздуха туда запустил давление в результате там повысилась воздуха и это дополнительная сила давление начала действовать на воду и выгнала ее на некоторую высоту так вот на этой высоте значит тут у нас воздух и сейчас мы нарисуем ладони артема так схематически вот например не художник кто нарисует лучше вот большой молодец и теплая ладонь и теплые ладони и это тоже и под действием тепла ладони под действием тепла ладони жидкость поднимается так ну а теперь максим ты хотел объяснить так вода несжимаема хорошо приблизительно так не слишком подробно ну ты все правильно объясню и так столбик жидкости подымается так как диктуй дальше воздух вытесняет жидкость так как воздух вытесняет жидкость а почему воздух вытесняет жидкость так как он расширяется так как воздух расширяется то есть увеличивается его объем так а почему воздух расширяется потому что его нагревает колба это правильно но только скажите пожалуйста можем ли мы говорить о колебаниях молекул в газах как ведут себя молекулы газа они мечутся сталкиваясь между собой и со стенками сосуда и в том числе с донышком жидкости значит что происходит при увеличении температуры с молекулами артём они начинают быстрее двигаться поэтому они чаще ударяются о стенки сосуда и а жидкость и увеличивается что давление под действием увеличивающегося давления воздух вытесняет жидкость и это сопровождается это вытеснение сопровождается увеличением объема с газами изучение расширения газов более тонкий процесс потому что сама расширение газов более тонкий процесс оказывается что давление газа зависит от объема и тут у нас как раз жидкость поднимается из-за того что растет давление и из-за роста давления увеличивается у нас объем то есть тут не все так просто но самое главное что мы понимаем с ростом температуры увеличивается объем если давление поддерживать постоянно и продолжим так как воздух расширяется почему так как я упрощенно напишу повышается его температура его температур из-за того что газы в отличие от жидкостей и твердых тел сжимаются подробности этого процесса я сейчас не писал потому что мы этим вон серьезнейшим образом заниматься в десятом классе и последнее лучше всего расширяются какие вещества газы на втором месте жидкости на третьем месте твердые тела а вот сейчас я вам покажу особое устройство состоящее из двух твердых тел двух металлов но одни одинаковых дадим крупнее картинку вот эта пластинка сделана из двух металлов двух полосок металла цинка и железа и сейчас видите она ровно и сейчас я эту пластинку буду нагревать только не руками вы же знаете что металл и расширяются очень плохо поэтому для того чтобы эффект был заметным мы воспользуемся газовой горелкой так включаем ее и теперь вот так помещаем эту пластину в пламя газовой горелки я специально показываю в профиль она сейчас ровно я грею [музыка] что вы видите она искривилось изогнулась пластинка из двух разных металлов изгибается при нагревании теперь я ее охлажу охлажу так и она снова стала ровной поче-му кто может ответить на вопрос сейчас дадим общий план почему лёва так и так твердые тела при нагревании расширяются но поскольку эта пластинка сделана из двух разных металлов то одним материалы один металл расширяется сильнее а другой меньше следовательно тепловое расширение можно описывать количественно то есть существует какая-то характеристика которая количественно описывает явление теплового расширения что это за характеристика мы с вами узнаем завтра урок окончен мы