У процесі навчання у вузі виконання лабораторної роботи студентами є однією з форм освітніх технологій. Вона сприяє формуванню у студентів комплексу компетенцій, таких як: здатність до пізнавальної і творчої діяльності; здатність використовувати навички роботи з інформацією з різних джерел для вирішення професійних завдань та ін.
Методичні вказівки до лабораторної роботи призначені для самостійної роботи студентів. Вони містять основні теоретичні відомості по темі, а також порядок виконання та оформлення лабораторної роботи.
При виконанні лабораторної роботи, студент повинен розуміти фізичний змив даного явища або процесу, що розглядається в лабораторній роботі. Тому до виконання роботи доцільно приступати тільки після вивчення теоретичного і методичного матеріалу, відповідного цьому розділу.
Крім формування необхідних для випускників вузу компетенцій, самостійне виконання лабораторної роботи сприяє підготовці студентів до складання іспиту.
Лабораторна робота №10
Визначення коефіцієнта термічного розширення
(Лінійного) твердого тіла
1) визначити температуру металевого дроту при протіканні через неї електричного струму;
2) виміряти подовження дроту при нагріванні;
3) визначити коефіцієнт лінійного термічного розширення.
Досвід показує, що зі зниженням температури тверді тіла стискаються, а при підвищенні температури відбувається збільшення розмірів тіл, звану тепловим розширенням. Розширення твердого тіла вздовж одного з його вимірів називається лінійним (рис.1). Для ха-рактеристики цього явища можна ввести коефіцієнт термічного лінійного розширення.
Нехай l0 - довжина тіла при температурі T1. Подовження цього тіла # 8710; l при нагріванні його до температури T2 пропорційно первісної довжині l0 і зміни температури DT = T2 - T1:
де a - коефіцієнт лінійного термічного розширення, що характеризує відносне подовження тіла # 8710; l / l0. що відбувається при нагріванні тіла на 1 градус.
Довжина тіла при температурі T2:
Теплове розширення більшості твердих тіл вельми незначну-кові і є величини порядку 10 -5 - 10 -6 K -1. Тому довжина тіла при 0 ° С дуже мало відрізняється від дли-ни тіла при іншій температурі, наприклад, кімнатної.
Тверде тіло - це одне з чотирьох агрегатних станів речовини, що відрізняється від інших агрегатних станів (рідини, газів, плазми) стабільністю форми. Властивості твердих тіл обумовлені впорядкованим розташуванням атомів (або іонів), з яких складаються тверді тіла, в вузлах кристалічної решітки. Тип кристалічної решітки визначається типом атомів і характером сил взаємодії між ними.
При будь-якій температурі атоми здійснюють малі коливання біля положень рівноваги (вузлів), причому амплітуда коливань зростає зі збільшенням температури. Причина розширення твердих тіл при нагріванні - зростання амплітуди теплових коливань атомів і збільшення середньої відстані між ними.
Слід мати на увазі, що збільшення амплітуди коливань при підвищенні температури само по собі ще не означало б теплового розширення кристала, якби ці коливання були строго гармонійними (тобто коливаннями, описаними синусоїдальною функцією). Справді, зростання амплітуди гармонійних коливань двох сусідніх атомів твердого тіла не привело б до збільшення середньої відстані між ними, тому що в разі гармонійних коливань кожен атом настільки ж наближається до одного з сусідніх атомів, наскільки віддаляється від іншого. Вся справа в тому, що коливання частинок твердого тіла не є гармонійними.
Ця відхилення коливань атомів в кристалі від гармонійних (ангармонічності) обумовлено несиметричністю сил тяжіння і сил відштовхування, що діють між атомами. З ростом амплітуди коливань сила відштовхування між атомами при їх зближенні зростає швидше, ніж сила тяжіння при видаленні одного атома від іншого. Це призводить до того, що крива потенційної енергії EP (r) взаємодії атомів не є симетричною відносно положення рівноваги.
На рис. 2 представлена ця крива (суцільна лінія) в залежності від відстані r між двома сусідніми атомами, один з яких закріплений в точці 0, а другий знаходиться на відстані r від нього. На рис.2 зображена також крива потенційної енергії EPгарм взаємодії в разі гармонійних коливань атомів (пунктирна лінія). Положення мінімуму цих кривих визначає рівноважний відстань r0 між атомами, т. Е. Коли сила взаємодії між ними дорівнює нулю. при r
Зобразимо на кривій потенційної енергії значення повної енергії атома для ряду значень температури тіла (рис. 3).
EP0 - мінімальна енергія атома, якої б він володів, якби перебували в стані спокою на відстані r0 від сусіднього атома. E1. E2. ..., E5 - енергії коливань атома при температурах T1. T2, ..., T5. відповідно. З малюнка видно, що при підвищенні температури тіла енергія і амплітуда коливань зростають. При цьому зміщення атома вправо більше, ніж зсув вліво. В результаті середнє положення атома (зазначене на рис. 3 точками) відхиляється від r0 вправо і тим більше, чим більше повна енергія E коливається атома. Отже, зростання повної енергії (або температури) атома приводить до того, що середня відстань між атомами rT збільшується. Розрахунок показує, що це збільшення прямо пропорційно абсолютній температурі твердого тіла:
Це збільшення середньої відстані між атомами при його нагріванні і є причиною лінійного термічного розширення твердих тіл.