Лекція з дисципліни: «фізика» icon

Лекція з дисципліни: «фізика»




Скачати 119.82 Kb.
НазваЛекція з дисципліни: «фізика»
Дата конвертації28.04.2013
Розмір119.82 Kb.
ТипЛекція


Івано-Франківський фінансово-комерційний кооперативний

коледж ім. С. Граната


ЛЕКЦІЯ

з дисципліни:

«фізика»


на тему:

Властивості твердих тіл. Деформації


Всі спеціальності відділення загальноосвітніх дисциплін

Викладач: Криска І.М.


Розглянуто на засіданні циклової комісії

Загальноосвітніх дисциплін

Протокол №___ від ________

Голова циклової комісії

________________ О.В. Рябініна


Івано-Франківськ 2011


^ НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНА КАРТА ЛЕКЦІЙНОГО ЗАНЯТТЯ №9,10.

Тема: Властивості твердих тіл. Деформації

Кількість годин: 2

Вид заняття: Лекція

Мета заняття:

- навчальна: ознайомлення студентів з властивостями твердих тіл та видами деформацій.

- виховна: формування у студентів загального розвитку майбутнього фахівця.

^ Міжпредметні зв’язки: Математика, хімія, не прод. товари.

Матеріально-технічне забезпечення заняття: Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей.

^ Організація заняття: Вітання, перевірка явки студентів і готовність

аудиторії до заняття.

Мотивація: Показати необхідність вивчення теми, та застосування знань у повсякденному житті.

ПЛАН

  1. Характеристика твердого стану речовини. Кристали. Типи зв’язків у кристалах

  2. Деформація твердих тіл. Види деформації. Закон Гука

  1. Діаграма розтягу. Механічні властивості твердих тіл: пружність, пластичність, крихкість, міцність.


Активізація розумових здібностей: постановка проблемних питань


Домашнє завдання: Вивчити тему. Розв’язати задачу.


Література:

1.Гончаренко С.У. Фізика 10-11 класи шкіл гуманітарного профілю. – К.: освіта, 1996

2.Дущенко В.П., Кучерук І.М. Загальна фізика. Фізичні основи механіки. Молекулярна фізика і термодинаміка. Навчальний посібник для студентів фізико-математичних факультетів педагогічних інститутів. – К.: Вища школа, 1993

3.Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Загальна фізика. Електрика і магнетизм. Навчальний посібник для студентів фізико-математичних факультетів педагогічних інститутів. – К.: Вища школа, 1993

4. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.


Викладач: Криска І.М.____



  1. Характеристика твердого стану речовини.

^ Кристали. Типи зв’язків у кристалах

Під час охолодження рідина перетворюється в тверде тіло. Від рідини тверде тіло відрізняється передусім тим, що воно не лише має певну форму, а й зберігає її. Ця характерна ознака твердого тіла — його міцність. Дана властивість полягає в тому, що розірвати тіло на дві чи більше частин можна лише за певної деформації. Рідина, а тим більше газ, міцності не мають.

^ Найголовнішою ознакою твердого тіла є його кристалічна структура.

Частинки, з яких складається кристал, під час теплового руху коливаються навколо положень рівноваги, які називають вузлами. Якщо їх подумки з'єднати прямими лініями, матимемо свого роду «скелет» кристала. Таке зображення кристала називають кристалічною просторовою решіткою. В ній можна виділити комірку, яка є паралелепіпедом з характерним для цих кристалів розміщенням частинок. Цю комірку називають елементарною кристалічною решіткою. Якщо переносити її на відстань, що дорівнює довжині її ребра, можна утворити як завгодно великий монокристал. Прикладом найпростішої елементарної решітки є решітка кухонної солі NaCl (мал.1.1)




мал.1.1


Той факт, що в твердому тілі кожна частинка розміщена в певному місці — у вузлі кристалічної решітки,— не означає, що частинки в твердому тілі нерухомі. Як у газі й рідині, частинки і в твердому тілі здійснюють хаотичні рухи, а середня кінетична енергія частинок визначає температуру тіла.

Однак теплові рухи частинок твердого тіла не такі вільні, як у газах або навіть в рідинах. У твердому тілі частинки здійснюють малі, порівняно з відстанями між ними, коливання навколо вузлів решітки. Коли б ми могли бачити молекули твердого тіла, то помітили б, що вони «дрижать». Вузол кристалічної решітки — це не місце, в якому частинка закріплена, а точка, навколо якої частинка коливається. Під час підвищення температури зростає розмах (амплітуда) коливань.

Залежно від фізичної природи, які діють між частинками, розрізняють чотири типи кристалів:

Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.

В іонному кристалі не можна виділити окремих молекул, весь кристал є ніби однією гігантською молекулою. Такі кристали мають значну міцність. До них належить більшість неорганічних сполук, зокрема солі.

^ Атомні кристали. їх кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються). Атоми, що перебувають у вузлах, зв'язані зі своїми найближчими сусідами ковалентним зв'язком. В результат такого зв’язку сили взаємодії між частинками виникають внаслідок взаємного обміну валентними електронами між кожними двома сусідніми атомами.

За умови ковалентного зв'язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар, тобто електрони, кожен з яких раніше належав одному атому, стають тепер спільними для обох атомів.

Речовини з атомною кристалічною структурою найміцніші, вони характеризуються високою твердістю і тугоплавкістю (алмаз, графіт та ін.).

^ Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки перебувають молекули речовини, зв'язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії. Внаслідок того, що ці сили слабкі (значно слабші сил іонного і ковалентного зв'язків), молекулярні кристали плавляться за дуже низької температури (водень, кисень, азот), легко випаровуються («сухий лід», нафталін).

^ Металічні кристали. У всіх вузлах решітки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Ці електрони, взаємодіючи з позитивними іонами решітки, є ніби «цементом», утримуючи іони; інакше решітка розсипалася б під дією електричних сил відштовхування між іонами. Разом з тим ці електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.


^ 2. Деформація твердих тіл. Види деформації. Закон Гука

Кожна частинка в кристалі (молекула, атом чи іон) перебуває в певному положенні рівноваги, в якому сили відштовхування і притягання з боку інших частинок, які утворюють кристал, однакові. Але якщо якась зовнішня сила змістить частинку трохи вбік від її положення рівноваги, відразу ж якась із цих сил перевищить решту. Якщо, наприклад, тіло розтягувати, то відстані між частинками кристала збільшуються, при цьому сили притягання починають переважати сили відштовхування і прагнуть повернути частинки в попереднє положення рівноваги. Навпаки, якщо тіло стискати і тим самим зближати атоми чи молекули кристала, переважатимуть сили відштовхування, які прагнуть повернути частинки в початкове положення рівноваги.

Спостерігати і безпосередньо вимірювати сили, які діють на окремі молекули, атоми чи іони, не можна. Але якщо зовнішні сили зміщують частину тіла, змінюючи його форму і розміри (тобто спричиняють деформацію тіла), то і протидіючі їм внутрішні сили — сили пружності — діятимуть на ту саму частину тіла, прагнучи ліквідувати зміну його форми чи розмірів, що виникла в результаті дії зовнішніх сил. Таким чином, спостережувані на практиці сили пружності є рівнодіючими (геометричними сумами) дуже великої кількості сил взаємодії між окремими частинками тіла.

При малих деформаціях твердого тіла виникає сила пружності Fп, модуль якої визначається законом Гука:

(2.1)

де, - абсолютне значення деформації тіла, а k – жорсткість тіла.

Для прикладу розглянемо деформацію розтягу кристалічного стержня. Кожна частинка в стержні, який має кристалічну структуру, до його деформації розміщена так, що сума сил, які діють на неї з боку інших частинок, дорівнює нулю. Якщо один кінець стержня закріплений, а до другого прикладена зовнішня сила F, то вона надає частинкам тіла біля цього кінця прискорення. Частинки починають рухатися і зміщуються відносно їх «нормального» положення. При цьому на кожну з них почнуть діяти сили з боку сусідів, які намагаються повернути частинки в попереднє положення. В свою чергу частинки, що змістилися, діють на ще не зміщені частинки, надаючи їм прискорення, внаслідок чого зміщуються і вони. Стержень виявляється деформованим, і в ньому виникають сили пружності Fп. Коли б тіло не було закріплене, воно почало б рухатися (хоча й деформоване) з прискоренням, яке залежить від маси тіла. Якщо тіло закріплене, воно деформується доти, доки сила пружності Fn не стане рівною за модулем зовнішній силі F. Після цього тіло перебуватиме в рівновазі. Отже, сила пружності Fn, викликана деформацією, дорівнює за модулем і протилежна за напрямом зовнішній силі. Після припинення дії зовнішньої сили F частники в стержні повернуться на свої початкові місця, зникне і викликана нею сила пружності. Деформація, яка зникає разом з припиненням дії сили, називається пружною.

Деформація, яка не зникає після припинення дії зовнішньої сили, називається пластичною.

Дослід показує, що при малих (пружних) деформаціях розтягу і стиску жорсткість k стержня пропорційна площі його поперечного перерізу S і обернено пропорційна його довжині l, так що можна записати:

(2.2)

де Е – коефіцієнт пропорційності. Підставивши цей вираз у формулу (2.1) і поділивши обидві частини рівності на S, отримаємо:

(2.3)

У лівій частині цієї рівності замість модуля сили пружності Fn тепер стоїть відношення . Ця величина називається механічною напругою (або просто напругою). її прийнято позначати грецькою літерою σ (сигма). Напруга виміряється в тих самих одиницях, що й тиск, тобто в паскалях (Па).

У правій частині рівності замість видовження | Δl | ми бачимо тепер відношення яке називають відносним видовженням:

позначається літерою ε (епсилон). Воно показує, яку частину початкової довжини становить видовження. Це зручніша характеристика деформації, ніж видовження. Адже під час розтягу стержня (або його стиску) змінюється довжина кожної ділянки стержня, так що у довшого стержня і видовження буде більшим (за тієї самої сили пружності), а відносне видовження буде відсотках.

Замість жорсткості k у формулі (2.3) стоїть величина Е, зв'язана з k співвідношенням . Величина Ε називається модулем пружності (іноді її називають також модулем Юнга).

Таким чином, формулу, яка виражає закон Гука, можна тепер записати у такому вигляді:

(2.4)


Серед деформацій, які виникають у твердих тілах, можна виділити п'ять основних видів: розтяг, стиск, зсув, кручення і згин.

Деформацію розтягу ми вже розглянули. Перейдемо до деформації зсуву.

Якщо до тіла верхньої і нижньої його граней прикласти рівні за модулем і протилежно напрямлені сили, паралельні до цих граней, можна спостерігати зсув верхніх шарів тіла відносно нижніх на невеликий кут . Зсув паралельних шарів тіла один відносно одного під дією сил, паралельних до цих шарів, називається деформацією зсуву.

Якщо силу ^ F збільшити вдвічі, то й кут α збільшиться вдвічі. Досліди показують: якщо деформації пружні, кут зсуву α прямо пропорційний модулю F прикладеної сили.

Якщо закріпити один кінець горизонтально розміщеного стержня, а на вільний кінець подіяти силою ^ F, напрямленою вертикально вниз, то стержень зігнеться. Якщо поставити стержень на дві опори, а до його середини прикласти силу F, напрямлену перпендикулярно до нього, то при цьому стержень прогнеться. Під час згину одна сторона — опукла — зазнає розтягу, а друга — увігнута — стиску. Всередині зігнутого тіла є шар, який не зазнає ні розтягу, ні стиску і називається нейтральним шаром.

^ Згин — деформація, що зводиться до розтягування і стискання, неоднакових в різних частинах тіла. Поблизу нейтрального шару тіло майже не зазнає деформації. В цьому шарі малі й сили, що виникають під час деформації. Тому площу поперечного перерізу зігнутої деталі можна значно зменшити навколо нейтрального шару.

Якщо до торців стержня прикласти дві пари сил, які повертають ці торці в протилежні сторони (мал.2.1), то виникає деформація, яка називається крученням. Під час кручення окремі шари тіла, як і під час зсуву, залишаються паралельними, але повертаються один відносно одного на деякий кут. Деформація кручення — це неоднорідний зсув.

Наприклад деформація кручення виникає, під час закручування гайок.





мал.2.1


^ 3. Діаграма розтягу.

Механічні властивості твердих тіл:

пружність, пластичність, крихкість, міцність.

Залежність відносного видовження зразка від прикладеної до нього напруги є однією з найважливіших характеристик механічних властивостей твердих тіл. Графічне зображення цієї залежності називається діаграмою розтягу. По осі ординат відкладається механічна напруга σ, прикладена до зразка, а по осі абсцис — відносне видовження ε (мал.3.1). При невеликих напругах відносне видовження прямо пропорційне напрузі, після зняття навантаження розміри тіла повністю відновлюються. Така деформація, як уже зазначалося, називається пружною. Максимальна напруга σπ, за якої деформація ще залишається пружною, називається межею пропорційності (точка А).



мал.3.1


Якщо навантаження ще збільшити, то деформація стає нелінійною, напруга перестає бути прямо пропорційною відносному видовженню. І все-таки за невеликих нелінійних деформацій після зняття навантаження форма і розміри тіла практично відновлюються (ділянка AB діаграми). Максимальну напругу, за якої ще не виникають помітні залишкові деформації, називають межею пружності σπρ. Межа пружності перевищує межу пропорційності лише на соті частки відсотка.

У разі навантажень, які перевищують межу пружності σпр, зразок після зняття навантаження не відновлює свою форму, або початкові розміри. Такі деформації називаються залишковими, або пластичними.

В області пластичної деформації (ділянка ВС) деформація відбувається не пропорційно збільшенню напруги. На горизонтальній ділянці СД матеріал «тече» — деформація зростає за незмінної напруги. Напруга στ (ордината точки С), за якої матеріал «тече», називають межею текучості.

Матеріали, в яких область текучості СД значна, можуть без руйнування витримувати великі деформації. Такі матеріали називають пластичними. Пластичні — пластилін, мідь, золото. Якщо ж область текучості матеріалу майже відсутня, він без руйнування може витримати лише невеликі деформації. Такі матеріали називають крихкими. Прикладами крихких матеріалів можуть бути скло, цегла, мармур.

Найбільша напруга σΜ, яку здатний витримати зразок без руйнування, називається межею міцності. На пружність і пластичність тіл звичайно впливає температура. Наприклад мало пластичне і пружне за кімнатної температури залізо стає м'яким і пластичним і навпаки, матеріали, м'які і пластичні за кімнатної температури, стають пружними від досить сильного охолодження.

Однією з найважливіших механічних характеристик мате­ріалів є їх міцність, тому що в основному саме завдяки їй стають надійними різні споруди і машини. Під міцністю розуміють здатність матеріалу опиратися руйнуванню і залишковій деформації, які виникають внаслідок зовнішніх впливів.


Задача: Які сили треба прикласти до кінців стальної дротини, довжиною 4м перерізом 0,5 мм2, щоб видовжити її на 2мм? (^ Модуль пружності для стальної дротини дор.210ГПа).

Розв’язання:

Дано:

l=4м

S=0,5мм2 0,5*10-6 м2

2мм 2*10-3 м

F - ? За законом Гука

, звідси шукана сила:



Відповідь: F=52,5 (Н).


Домашнє завдання: записати границі міцності на розтяг і модуль пружності для наступних речовин: алюміній, латунь, свинець, срібло, сталь.




Схожі:

Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Матеріально-технічне забезпечення заняття: Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Матеріально-технічне забезпечення заняття: Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Матеріально-технічне забезпечення заняття: Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Матеріально-технічне забезпечення заняття: Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Лекція з дисципліни: «фізика» iconЛекція з дисципліни: «фізика»
Матеріально-технічне забезпечення заняття: Мультимедійний проектор, програмне забезпечення,бібліотека електронних наочностей
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©te.zavantag.com 2000-2017
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи