Исследовательская работа "Линейное расширение,лампочка и бетон"

МБОУ «Богашевская СОШ»

Томского района Томской области

«Линейное расширение, лампочка и бетон»

                                    Выполнил:

                           ученик 9 класса

                                                                                Савин Денис

                                                       Учитель: Сенчик Максим Максимович

Школа физиков  ,,Спектр,,

                                                       Год 2017

Содержание

Введение ……………………………………………………………………..	3
Теоретическая часть ………………………………………………………...	4
Тепловое расширение твердых тел и жидкостей………………………….	4
Коэффициент линейного расширения…………………………………...	5
Опыт 1. Измерение зависимости удлинения твердого вещества от температуры	6
Использование линейного расширения в нашем времени………………...	8
Вывод ………………………………………………………………………..	10
Заключение ………………………………………………………………….	10
Литература …………………………………………………………………..	11

                                           Введение

Много ли людей, которые думают о том что,  их окружает, Я думаю, что

нет. Ведь неспроста моё исследование связанно с обыденностью нашей жизни. Мало кто задумывается, почему горит лампочка и не лопается, почему дом стоит на одном бетоне и арматуре, ведь дом большой, а фундамент на порядок меньше. Вот я и решил узнать с чем это связанно и почему так происходит.

Цель работы: рассмотреть, что же такое тепловое расширение твердых тел и жидкостей

Сделать опыты по физике для демонстрации явления теплового расширения твердых тел.

Гипотеза: сделанные опыты,  по физике могут использоваться для демонстрации теплового расширения твердых тел и жидкостей в 9-11 классах

Задачи:

·        Узнать что же такое тепловое расширение твердых тел и жидкостей;

·        Как и где используются понятие теплового расширения тел;

·        провести опыты, демонстрирующие тепловое расширение твердых тел

·        сделать Выводы;

Практическая значимость проекта

       Вы никогда не спрашивали себя о том, почему лампочка не лопается, ведь внутри нее есть пластинка из вольфрама  и она нагревается на несколько тысяч градусов и при такой температуре лампочка давно должна была лопнуть, но этого не произошло или вот еще почему, когда в бетон добавляют железные арматуры после того, как бетон затвердеет он не крошиться, ведь при давлении на бетон, он должен раскрошиться, иногда люди думают, что все знают, но на самом деле не знают многого.

Теоретическая часть

Тепловое расширение твердых тел и жидкостей

Тепловое расширение.

Как известно, при изменении температуры размеры тел меняются: при нагревании увеличиваются, при охлаждении уменьшаются. Известно также, что разные вещества расширяются при нагревании различно.

По отношению к твердым телам, форма которых при изменении линейных размеров(длинны, диаметра и т. п.) – линейное расширение и изменение объема – объемное расширение. У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.

При неравномерном нагревании (или при охлаждении) твердых тел, например при нагревании конца стеклянной трубки происходит изгибании тел. Если этому изгибанию что-нибудь препятствует, то в нагретом теле появляются так называемые внутренние напряжения, которые могут вызвать трещины и разрушение тела. Например, при наливании горячей воды в холодный толстостенный стеклянный стакан он может лопнуть.

В случае, если тело состоит из двух или нескольких частей, сделанных из различно расширяющихся веществ, то и равномерное нагревание (или охлаждение) ведет к появлению напряжений, которые могут вызвать его разрушение. Например, спайка двух стеклянных трубок не удастся, если эти трубки сделаны из сортов стекла, расширяющихся при нагревании в разной степени.

Величины напряжений, которые получаются в сооружениях и зданиях при их неравномерном нагревании, могут быть очень велики.  Поэтому в технике стремятся дать возможность частям сооружения свободно удлиняться или укорачиваться. Пример такого устройства, употребляемого в небольших железнодорожных мостах (одна из опор установлена на катках).

         

Коэффициент линейного расширения.

Чтобы охарактеризовать различие в тепловом расширении различных твердых материалов, пользуются понятием коэффициента линейного расширения. Коэффициентом линейного расширения называется величина, показывающая, на какую долю от начальных размеров  увеличивается длинна тела при нагревании на 1°C. Обозначив начальную длину тела через Ɩₒ, длину тела, нагретого на tͦ, через Ɩt, коэффициент линейного расширения через α, можем написать:

                                           =  (1)

Из формулы видно, что  выражается в    или, что-то же, в .

Отметим, что под   длиной следует понимать размер предмета при 0°C. Однако, так как длина тела меняется при нагревании очень мало, то вполне допустимо под  понимать длину при другой температуре, близкой к 0°C.( скажем при комнатной температуре).

При небольших изменениях температуры (не больше 200-300°C) изменение длинны  почти точно пропорционально изменению температуры , и коэффициент  является постоянной для данного материала величиной. При больших изменениях температуры это уже не имеет смысла.

Приведем коэффициенты линейного расширения некоторых твердых тел (в ), полученных в лабораторных условиях:

Медь	0,000017
Кирпич	0,000005
Железо(сталь)	0,000012
Цемент	0,000014
Алюминий	0,000024
Стекло (примерно)	0,000010
Олово	0,000027
Фарфор	0,000003

Зная коэффициент расширения материала и начальную длину тела, мы можем вычислить длину его при другой температуре. Для этого преобразуем формулу (1)

l_t – l_o =l_o  t  l_t = l_o + l_o  t  l_t = l_o(1+ t )

Величина, стоящая в скобках(1+ t ), называется  биномом линейного расширения. Он показывает, во сколько раз длина нагретого тела больше начальной длины. Подчеркнем, что формула l_t = l_o(1+ t) является приближенной. Ею можно пользоваться только при небольших изменениях температур.

                                     Практическая часть.

Измерение зависимости удлинения твердого вещества от температуры.

                                  Эксперимент № 1.       

  Изучение зависимости удлинения твердого вещества от температуры.

Цель:  Изучить зависимость удлинения твердого тела от температуры

Оборудование: 1- мерный стакан

                           2- пробирка

                         3- набор трубок

                         4- прибор (название)

                         5- термометр

                         6-штатив

                         7-лапка

Ход проведения работы:

Включим прибор (название) в сеть 220v и на штативе с лапкой установим термометр одновременно с этим засунем одну из трубок в пробирку ,а пробирку в сам прибор, передвинем шкалу над пробиркой  чтоб игла немного со прикасалась с трубкой записываем измерения каждые 5 градусов.

 

Результат:

 получаем зависимость, которая представлена на графике

По данным графика определим коэффициент линейного расширения для проведенных измерений:

Алюминий:
 =  = 0,00025 1/

Расчет проводился для разности температур (60-35); l₀=160 мм; t₀ = 35

Измерения в лабораторных условиях по алюминию дают результат:  =0,000024 1/.

Стекло (условия те же):

 =  = 0,0000025 1/

Измерения в лабораторных условиях по стеклу дают результат:  =0,000009 1/.

Использование линейного расширения в нашем времени.

Тепловое расширение тел нужно учитывать при конструировании и постройке инженерных сооружений. Необходимо принимать меры для того, чтобы тела могли свободно расширяться или сжиматься при изменении температуры. Нельзя, например, туго натягивать провода линий электропередачи (ЛЭП) между опорами. Летом провисание проводов заметно больше, чем зимой. Трубы, по которым идёт пар или горячая вода, нужно снабжать изгибами в виде петель или букв «П» (их называют компенсаторами).

  

                                                                                 При работе лопасти турбины нагреваются и расширяются. Чтобы не повредить из-за расширения  детали турбины, лопасти в холодном состоянии прикреплены к корпусу свободно, так что между ними остаются зазоры.

                    

При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.

Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.

       .

поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.

.

При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.

Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.

Заключение

Есть еще многое, что можно узнать об этом мире даже не выходя из дома исследование, которое я  провел  поможет учебным заведениям на уроках физики 9-11 классов  в изучении линейного расширения твердых тел.

                                   Источники

1.      ru.wikipedia.org

2.     http://www.znack.com/