29. Виртуальная лабораторная работа по физике «Изучение расширения твердых тел» http://efizika.ru/html5/29/index.html.

Цель работы: экспериментально определить коэффициенты линейного расширения твердых тел: стали, алюминия, стекла, бронзы.

Приборы и принадлежности: прибор для определения коэффициента линейного расширения, в состав которого входят стержневые образцы (стальной, алюминиевый, стеклянный и др.), стеклянные пробирки, индикатор малых перемещений (микрометр), термометр лабораторный, химический стакан с водой, штатив, штангенциркуль.

29. Virtual laboratory work in physics «Studying the expansion of solids» http://efizika.ru/html5/29/index.html.

The purpose of the work is to experimentally determine the coefficients of linear expansion of solids: steel, aluminum, glass, bronze.

Instruments and accessories: a device for determining the coefficient of linear expansion, which includes rod samples (steel, aluminum, glass, etc.), glass tubes, a small displacement indicator (micrometer), a laboratory thermometer, a chemical beaker with water, a tripod, a caliper.

Краткая теория

Все твердые тела при охлаждении и нагревании изменяют свои размеры. Как правило, с повышением температуры размеры тел увеличиваются.

Как известно, твердые тела можно разделить на две группы: аморфные тела и кристаллические тела. К аморфным телам относятся стекло, пластмассы. Эти вещества ведут себя как жидкости с аномально большой вязкостью. Кристаллические вещества отличаются от аморфных правильным расположением частиц. В кристаллической решетке твердого тела каждая частица (ион, атом или молекула) имеет определенное положение равновесия, около которого она совершает колебания.

Взаимодействие между частицами любого вида в кристалле может быть представлено потенциальной кривой, изображенной на рисунке 21.1.

Кривая несимметрична относительно минимума. По этой причине только очень малые колебания около положения равновесия будут иметь гармонический характер. Если происходят гармонические колебания, то среднее положение частицы остается неизменным и совпадает с ее положением равновесия. Явление теплового расширения при этом отсутствует. С ростом амплитуды колебаний, (что происходит при повышении температуры), все сильнее будет проявляться ангармоничность (отклонение колебаний от гармонических). При этом смещение в одну сторону из узла решетки занимает больше времени, чем в другую.

Рис. 21.1.

Это обусловлено характером зависимости сил взаимодействия между атомами от расстояния между ними. Как видно из рисунка 21.1, на больших расстояниях атомы практически не взаимодействуют друг с другом.

При уменьшении расстояния  возникает сила притяжения между атомами, которая увеличивается по модулю до некоторого расстояния . Затем сила притяжения уменьшается и при расстоянии  между атомами она становится равной нулю. При дальнейшем уменьшении расстояния появляется сила отталкивания, которая быстро возрастает и при  стремится к бесконечности.

Рис. 2.

Таким образом, очевидно, что при возрастании амплитуды колебаний атомов вследствие нагревания кристалла, рост сил отталкивания между атомами преобладает над ростом сил притяжения. Это приводит к увеличению среднего расстояния между частицами и, следовательно, к увеличению объема тела при его нагревании.

Подводя итог, заключаем, что причиной теплового расширения твердых тел является ангармоничность колебаний атомов в кристаллической решетке. Количественной характеристикой теплового расширения служат коэффициенты линейного и объемного расширения.

Пусть  – длина образца при 0°C, l – длина образца при температуре , тогда разность длин  пропорциональна  и разности температур . Можно записать

где  – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом линейного расширения. Из (1) имеем:

Коэффициент линейного расширения, показывает увеличение каждой единицы длины тела при нагревании на 1 К, при этом считаем  не зависящим от температуры.

Практически при небольших изменениях температуры  незначительно изменяется, поэтому для расчетов можно воспользоваться величиной среднего коэффициента линейного расширения

где  и  – начальная и конечная температуры тела,  и  – длина тела, соответствующая этим температурам.

Аналогично определяется коэффициент объемного расширения :

Коэффициент объемного расширения показывает увеличение каждой единицы объема тела при нагревании на 1 К.

Так как большинство кристаллов анизотропны, то коэффициент линейного расширения  для таких кристаллов будет различным в разных направлениях. Коэффициенты теплового расширения по трем кристаллографическим осям кристалла называются главными коэффициентами расширения и обозначаются , , . Тогда коэффициент объемного расширения кристалла выразится . Для кристаллов с кубической симметрией и для изотропных тел , тогда .

Ход работы

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и подготовить ее к работе.

Рис. 3. Виртуальная интерактивная установка «Изучение расширения твердых тел»: http://efizika.ru/html5/29/index.html

1. Установить параметры тока в электрической цепи U.
2. Стеклянная пробирка на 1/2 объема заполнена водой комнатной температуры. Установить температуру воды в пробирке t₀.
3. Установить начальную длину образца l₀. Результаты занести в таблицу.
4. Выбрать материал исследуемого образца: стекло, бронза, сталь, алюминий. Опустить его в пробирку.
5. Включить питание кнопкой «Пуск». Довести воду до кипения t = 100 °С. Увеличение длины образца определяется по отклонению стрелки индикатора малых перемещений в момент закипания воды Dl.
6. Для продолжения работы и проведения опытов с другими образцами необходимо отключить питание прибора кнопкой «Сброс».
7. Аналогично провести измерения для трех оставшихся образцов. Результаты занести в таблицу.
8. Провести поочередно измерения для каждого образца не менее трех раз.

10.Произвести расчет численного значения коэффициента линейного расширения a и определить погрешность измерений.

11.Рассчитать погрешности измерения.

12.Сформулировать выводы.

Контрольные вопросы

1. Объяснить тепловое расширение твердых тел.
2. Что называется коэффициентом линейного расширения?
3. Что называется коэффициентом объемного расширения?
4. Какая существует связь между коэффициентами линейного и объемного расширения?
5. Расскажите о методе определения коэффициента линейного расширения твердых тел, который используется в данной работе.
6. Проанализируйте, чем определяется погрешность измерения.
7. Запишите основные приборы и оборудование, необходимые для проведения данной работы.

Список литературы

1. Авцусь З.И. и др. Практикум по общей физике.– М., 1971.
2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н., Эткин В.С. Курс общей физики. Молекулярная физика.– М.: Просвещение, 1982.
3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Механика, молекулярная физика, колебания и волны.–Т.1.– М.: Наука, 1972.
4. Иверонова В.И. Физический практикум.– М., 1967.
5. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика.– М.: Наука, 1976.
6. Кудрявцев Б.Б. Курс физики. Теплота и молекулярная физика.– М.: Просвещение, 1965.
7. Лабораторный практикум по общей физике. Под редакцией Е.М. Гершензона и Н.Н. Малова.– М.: Просвещение, 1985.
8. Лабораторный практикум по физике. Под редакцией А.С. Ахматова.– М.: Высшая школа, 1980.
9. Лабораторный практикум по физике. Под редакцией К.А. Барсукова и Ю.И. Уханова.– М.: Высшая школа, 1988.

10. Радченко И.В. Молекулярная физика.– М.:Наука, 1965.

11. Савельев И.В. Курс общей физики. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.–Т.1.– М.: Наука, 1973.

12. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика.– М.: Наука, 1979.

13. Трофимова Т.И. Курс физики.– М.: Высшая школа, 1999.

14. Уродов В.И., Стрижнев В.С. Практикум по физике.– Минск: Вышэйшая школа, 1973.

15. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны.– Т.1. – М.: Физматгиз, 1962.

Виртуальная лабораторная работа по физике «Изучение расширения твердых тел» представляет собой инновационный метод обучения, который позволяет студентам изучать физические явления без необходимости физического присутствия в реальной лаборатории. Этот подход к обучению активно использует современные информационные технологии, создавая виртуальное пространство, в котором студенты могут проводить эксперименты и анализировать результаты.

Виртуальная лаборатория – это компьютерная программа, разработанная специально для проведения лабораторных работ в онлайн режиме. Она включает в себя все необходимые инструменты, модели и средства анализа данных, которые обеспечивают полноценное выполнение лабораторных работ. Студенты могут взаимодействовать с виртуальной лабораторией, выполнять различные задания и эксперименты, а также анализировать полученные результаты.

Методика выполнения виртуальной лабораторной работы по физике «Изучение расширения твердых тел» включает несколько этапов. Вначале студентам предлагается ознакомиться с теоретическим материалом и основными концепциями, связанными с расширением твердых тел. Затем они переходят к выполнению практической части работы, используя виртуальную лабораторию.

Виртуальная лаборатория предоставляет студентам возможность выбирать различные твердые тела для исследования и проведения экспериментов. При этом, они могут изменять различные параметры, такие как температура, длина, масса и т. д., и наблюдать, как изменения влияют на расширение твердого тела. Студенты могут проводить измерения, записывать данные и анализировать результаты с помощью графиков и таблиц.

Одним из преимуществ виртуальной лабораторной работы является возможность повторения эксперимента неограниченное количество раз. Студенты могут экспериментировать, изменяя параметры и наблюдая, как это влияет на результаты. Благодаря этому, они могут лучше понять физические законы и закономерности, связанные с расширением твердых тел.

Кроме того, виртуальная лабораторная работа позволяет студентам освоить навыки работы с различными инструментами и программами анализа данных. Они могут изучать графики, проводить статистический анализ и делать выводы на основе полученных результатов. Все это развивает их навыки критического мышления, аналитического мышления и технического образования.

Виртуальная лабораторная работа по физике «Изучение расширения твердых тел» является эффективным методом обучения, который позволяет студентам получать практические навыки без необходимости присутствия в реальной лаборатории. Она предоставляет уникальную возможность углубить понимание физических явлений и закономерностей, а также развить навыки работы с современными технологиями и программами анализа данных. Виртуальная лабораторная работа открывает новые горизонты для студентов и помогает им стать более компетентными и уверенными в изучении физики.

The Virtual Physics Lab, Exploring the Expansion of Solids, is an innovative teaching method that allows students to explore physics without the need to be physically present in a physical laboratory.This approach to teaching actively uses modern information technology, creating a virtual space in which students can conduct experiments and analyze the results.A virtual laboratory is a computer program designed specifically for conducting laboratory work online.It includes all the necessary tools, models and data analysis tools that ensure the full implementation of laboratory work.Students can interact with the virtual laboratory, perform various tasks and experiments, and analyze the results.The methodology for performing virtual laboratory work in physics “Studying the expansion of solids” includes several stages.Students are first introduced to the theoretical material and basic concepts associated with the expansion of solids.They then move on to the practical part of the work using the virtual laboratory.The virtual laboratory provides students with the opportunity to select a variety of solids to study and conduct experiments on.In doing so, they can change various parameters such as temperature, length, mass, etc., and observe how the changes affect the expansion of the solid.Students can take measurements, record data, and analyze results using graphs and tables.One of the advantages of virtual laboratory work is the ability to repeat the experiment an unlimited number of times.Students can experiment by changing parameters and seeing how it affects the results.Thanks to this, they can better understand the physical laws and patterns associated with the expansion of solids.In addition, virtual laboratory work allows students to develop skills in working with various tools and data analysis programs.They can examine graphs, perform statistical analysis, and draw conclusions based on the results.All of this develops their critical thinking, analytical thinking and technical education skills.The Virtual Physics Lab, Exploring the Expansion of Solids, is an effective teaching method that allows students to gain hands-on skills without the need to be in a physical laboratory.It provides a unique opportunity to deepen your understanding of physical phenomena and patterns, as well as develop skills in working with modern technologies and data analysis programs.Virtual laboratory work opens up new horizons for students and helps them become more competent and confident in learning physics.