Инфоурок Физика Другие методич. материалыМетодическая разработка на тему "Виды деформаций. Упругость, прочность,пластичность, хрупкость."

Методическая разработка на тему "Виды деформаций. Упругость, прочность,пластичность, хрупкость."

Скачать материал

Методическая разработка теоретического занятия 

 

                               

Тема занятия: Виды деформаций. Упругость, прочность,

                                                                     пластичность, хрупкость.

 

Цели занятия:                                                                        

             образовательная – познакомить учащихся с механическими свойствами 

           твердого тела: упругостью, пластичностью,хрупкостью,прочностью

           и твердостью;                   .

воспитательная – продолжать совершенствовать умение устанавливать причинно -следственные связи при изучении физических явлений;

развивающая – развивать умение решать задачи, пользуясь известными теоретическими знаниями.

Тип занятия: усвоение новых знаний

Метод занятия: объяснительно- иллюстративный

Время занятия: 90 мин.

Место проведения: ауд. 517

Внутрипредметная связь: основы молекулярно-кинетической теории.

Межпредметная связь: медицина - деформация в организме.

Оснащение занятия: таблица «Симметрия при типизации кристаллических твёрдых тел», проектор, резинка, воздушный шар, раздаточный материал.

Использованная литература:

                 основная – Б.Кронгарт «Физика 10 кл.» естественно-математического

            направления. «Мектеп» 2006 г.

дополнительная Л.Жданов «Физика» для средних учебных заведений Москва «Наука» 1987 г. 

Учащийся должен знать: виды деформаций, абсолютную и относительную деформации, механическое напряжение, закон Гука и его физический смысл.

Учащийся должен уметь: объяснять механические свойства твердых тел на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества, решать задачи на закон Гука.

 

                                                         

                   Структурно-логическая схема и хронокарта занятия

                                                        

І Организационный момент – 3 мин

ІІ Опрос домашнего задания– 20 мин

ІІІ Объяснение нового материала – 42 мин

IV Закрепление нового материала  -20 мин

V Подведение итогов занятия – 3 мин

VІ Задание на дом – 2 мин               

 

                                                        Ход занятия                                                                                         

І  Организационный момент

-проверка подготовки учащихся к занятию

-мотивация познавательной деятельности учащихся: изучение видов деформаций позволяет расчитывать силы, приложенные к телу.

-знакомство учащихся с целью и планом занятия.

 

ІІ Опрос домашнего задания

Физический диктант  на тему  «Свойства твёрдых тел».

I Вариант                                                        II Вариант

1. Кристаллы- это .....                                    1. Аморфные тела- это....

2. Кристаллы отличаются от ... тел...          2.Аморфные тела отличаются от .....            

3. Существуют следующие типы                 3. Все аморфные тела постепенно могут

кристаллов...                                                  перейти в .............., потому,что  ........

4. Анизотропия – это .....                               4. Изотропия – это ......

5. Примеры кристаллов: .......                       5. Примеры аморфных тел: .......

6. Углерод встречается в природе чаще    6.Показать, что стекло –аморфное тело, 

в виде графита,а не алмаза, потому, ......   а  соль- кристаллическое, если ....

7. В мороз снег скрипит под ногами пото   7.Скорость роста кристалла различна по         

 му, что   ......                                                   разным направлениям, потому, что .....

 

ІІІ  Объяснение нового материала

План:

1.Явление деформации.

2.Виды деформации.

3.Механическое напряжение.

4. Почему кость прочнее гранита?

5. Механика каратэ.

6. Для чего нужны сухожилия?

1. В твердых телах – аморфных и кристаллических – частицы (молекулы, атомы, ионы) совершают тепловые колебания около положений равновесия, в которых энергия их взаимодействия минимальна. При увеличении расстояния между частицами возникают силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания . Силы взаимодействия между частицами обусловливают механические свойства твердых тел. Деформация твердого тела является результатом изменения под действием внешних сил взаимного расположения частиц, из которых состоит тело, и расстояний между ними.

2. Существует несколько видов деформаций твердых тел – деформация растяжения, деформация сдвига, деформация всестороннего сжатия.

 Некоторые из них представлены на рисунке 1:

Рис. 1 Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия. Ее можно характеризовать абсолютным удлинением Δl, возникающим под действием внешней силы Связь между Δl и F зависит не только от механических свойств вещества, но и от геометрических размеров тела (его толщины и длины).

Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине l образца называется относительным удлинением или относительной деформацией ε:

При растяжении ε > 0, при сжатии ε < 0.

Если принять направление внешней силы, стремящейся удлинить образец, за положительное, то F > 0 при деформации растяжения и F < 0 – при сжатии.

 

3. Отношение модуля внешней силы F к площади S сечения тела называется механическим напряжением σ:

За единицу механического напряжения в СИ принят паскаль (Па). Механическое напряжение измеряется в единицах давления.

       Зависимость между ε и σ является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε, а по оси ординат – механическое напряжение σ. Типичный пример диаграммы растяжения для металлов (таких как медь или мягкое железо) представлен на рисунке 2.

Рис. 2 Типичная диаграмма растяжения для пластичного материала. Голубая полоса – область упругих деформаций

При малых деформациях (обычно существенно меньших 1 %) связь между σ и ε оказывается линейной (участок Oa на диаграмме). При этом при снятии напряжения деформация исчезает. Такая деформация называется упругой. Максимальное значение σ = σпр, при котором сохраняется линейная связь между σ и ε, называется пределом пропорциональности (точка a). На линейном участке выполняется закон Гука:

Коэффициент E в этом соотношении называется модулем Юнга.

При дальнейшем увеличении напряжения связь между σ и ε становится нелинейной (участок ab). Однако при снятии напряжения деформация практически полностью исчезает, т. е. восстанавливаются размеры тела. Максимальное напряжение на этом участке называется пределом упругости .

      Если σ > σупр, образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация εост. Такие деформации называются пластическими (участки bc, cd и de). На участке bc деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала. В точке d достигается наибольшее напряжение σmax, которое способен выдержать материал без разрушения (предел прочности). В точке e происходит разрушение материала.

    Материалы, у которых диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рисунке, называются пластичными. У таких материалов обычно деформация εmax, при которой происходит разрушение, в десятки раз превосходит ширину области упругих деформаций. К таким материалам относятся многие металлы.

Материалы, у которых разрушение происходит при деформациях, лишь незначительно превышающих область упругих деформаций, называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).

      Аналогичным закономерностям подчиняется и деформация сдвига . В этом случае вектор силы направлен по касательной к поверхности образца. Относительная деформация определяется безразмерным отношением Δx / l, а напряжение – отношением F / S (сила, действующая на единицу площади поверхности). При малых деформациях

Коэффициент пропорциональности G в этом отношении называется модулем сдвига. Модуль сдвига для большинства твердых материалов в 2–3 раза меньше модуля Юнга. Следует помнить, что у жидких и газообразных веществ модуль сдвига равен нулю.

На рис. 1(3) показана деформация всестороннего сжатия твердого тела, погруженного в жидкость. В этом случае механическое напряжение совпадает с давлением p в жидкости. Относительная деформация определяется как отношение изменения объема ΔV к первоначальному объему V тела. При малых деформациях

Коэффициент пропорциональности B в этой формуле называется модулем всестороннего сжатия.

      4. При­рода в процессе эволюции использовала способ уменьшения массы чело­века и животных при сохранении прочности их ске­лета. Наиболее отчётливо это проявилось у птиц, которые больше других животных заинтересованы в уменьшении своей массы. Например, у фрегата, пти­цы, имеющей размах крыльев около 2 м, масса ске­лета всего 11О г. Однако и у бескрылых животных кости внутри тоже полые. Измерения показывают, например, что для самой крупной трубчатой кости скелета, бедренной, отношение внутреннего диамет­ра поперечного сечения к внешнему у человека и других млекопитающих составляет 0,5-0,6, что даёт возможность приблизительно на 25% уменьшить мас­су скелета при сохранении той же прочности.

Прежде чем хва­лить природу за её осведомлённость в вопросах со­противления материалов, посмотрим, достаточно ли прочны наши кости. В таблице приведены значения критических напряжений (отношение приложенной силы к площади поперечного сечения образца), при которых нарушается целостность различных мате­риалов при испытаниях на сжатие и растяжение, а также их модули Юнга.

 

Материал

 Прочность(механическое напряжение ) 10Н/м2

          Модуль Юнга, Е

          10 Н/м2

 

на сжатие

на растяжение

 

Сталь

552

827

       2070

Кость

170

120

             179

Гранит

145

5

             517

 

Как это ни удивительно, но кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали, и оказывает­ся гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. Чем же это объясняется?

Кость - композитный материал и состоит из двух совершенно различных компонентов: эластичного коллагена (из него в основном состоят все наши сухожилия) и кристаллов гидроксиапатита кальция Са10(РО4)6.(ОН)2 - 60% по массе.

Известным примером композитного материала служит стеклопластик, представляющий собой смесь стеклянных волокон и смолы. Причиной высокой прочности кости является сочетание эластичности и твёрдости. Многие обычные (не композитные) ма­териалы, обладая большой твёрдостью, очень хруп­ки. Каждый видел, как разбивается стекло. От мес­та, где по стеклу ударили, разбегаются трещины, которые и раскалывают лист. Если трещины не ус­певают образоваться, как это происходит при ударе пули, то лист стекла остаётся целым, за исключени­ем области, куда пришёлся удар.

Таким образом, прочность многих материалов была бы гораздо выше, если бы их структура пре­пятствовала распространению трещин. Наличие в ко­сти сетки из коллагена, обладающего высокой элас­тичностью, служит преградой для распространения в ней трещин. В то же время твёрдость кости обес­печивается кристаллами гидроксиапатита кальция, отложившимися на поверхности коллагеновых ни­тей. На композитную природу кости указывает низ­кое значение её модуля Юнга по сравнению с одно­родными материалами, обладающими такой же проч­ностью.

Какой же запас прочности у наших костей? Сред­няя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения около 3,3 см2. Используя дан­ные, приведённые в таблице, легко показать, что максимальный вес груза, который может удержи­вать эта кость, находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, P= ·S = 170·10Н/м3,3 ·10 м2 близок к 60 000 Н. В то же время максимальная сила, которую может выдер­жать та же кость, если она работает на изгиб, а сила приложена к свободному концу кости перпендику­лярно оси, близка к 5500 Н.

 

     5. Прекрасной иллюстрацией прочности костей че­ловека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений - каратэ. Тем, кто видит впервые каратиста, разбивающего крепкие бруски дерева или бетона, часто кажется, что это мистифи­кация. Однако даже новичок после недолгой трени­ровки сможет легко разбить голой рукой брусок дерева, а потом и целую стопку.

Как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама? Сначала попробуем оценить необхо­димую для этого энергию W■, Используя закон Гука для деформации бруска формулу для потенциаль­ной энергии, запасённой в сжатой пружине, можно получить выражение для WW = VT/ 2E, где V - объём бруска, Т - максимальное напряже­ние, которое выдерживает материал бруска, Е -модуль Юнга.

Формула подтверждает интуитивные соображения, что, брусок тем труднее разорвать, чем он больше и чем эластичнее материал бруска, т.к. большая энергия тратится на его растяжение. Как правило, в своих показательных выступле­ниях каратисты используют бетонные кирпичи раз­мером 0,4 х 0.2 х 0.05 м. Принимая во внимание данные из таблицы и приведённую выше формулу, можно получить, что для таких брусков W = 0,55 Дж.  Скорость движущейся руки каратис­та составляет приблизительно 12 м/с,а её масса 0,7 кг. Поэтому энергия, которую передаёт рука в момент удара, близка к 50 Дж. Таким образом, рука каратиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.

То, что рука каратиста не ломается при ударе о брусок, частично объясняется гораздо большей проч­ностью кости по сравнению с бетоном. Высокоскоро­стная киносъёмка кулака каратиста в момент удара показала, что его замедление при соприкосновении с бруском составляет примерно 4000 м/с2. Поэто­му сила, действующая со стороны бруска на кулак массой 0,7 кг, составляет 2800 Н. Если весь кулак в момент удара заменить костью     длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на её середину, то в таких условиях кость может выдержать 25 000 Н. Это приблизительно в 8 раз боль­ше, чем сила, действующая на ку­лак каратиста при разламывании бетонных брусков. Однако возможности руки ка­ратиста противостоять таким уда­рам ещё больше, т.к. в отличие от бетонного бруска она не под­держивается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и брус­ком бетона всегда находится эла­стичная ткань, амортизирующая удар. Итак, ссылаться на хруп­кость наших костей, оправдывая свою нерешительность, мы не вправе. Они не подведут.

 

        6.Многие из тех движений, ко­торые мы совершаем, бывают периодическими. К ним относятся ходьба, бег, катание на лыжах, конь­ках, приседания и т.д. Во время этих движений раз­личные части тела движутся неравномерно. Напри­мер, при беге или ходьбе каждая нога попеременно уменьшает свою скорость до нуля, соприкасаясь с землёй и тормозя при этом перемещение тела. В последующем та же нога, отталкиваясь от земли, ускоряет это перемещение. Чтобы заставить авто­мобиль двигаться подобным образом, нам нужно было бы с частотой около 1 Гц нажимать то на педаль газа, то на тормоз. Естественно, что расход горючего при таком импульсном характере движе­ния резко возрастает, т.к. часть кинетической энер­гии автомобиля при торможении переходит в тепло. Неужели бег человека и животных так же неэконо­мичен, как движение этого гипотетического автомо­биля?

Конечно, нет. Исследования учёных показали, что при беге часть кинетической энергии в фазе торможения хранится в сухожилиях ног в виде по­тенциальной энергии их деформации, которая пере­ходит опять в кинетическую подобно тому, как это происходит при отскакивании резинового мяча от стены.

Таким образом, сухожилия являются запас­никами механической энергии во время бега и дру­гих циклических движений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV Закрепление нового материала

 Выполнить задание:

1.     Независимость физических свойств твёрдых тел от направления называется ...

2.     Зависимость физических свойств твёрдых тел от направления называется ...

3.     Тела, не имеющие постоянной формы, называются ....

4.     Отношение модуля внешней силы к площади сечения тела называется механическое .....

5.     Обозначается греческой буквой ....

6.     Изменение формы и размеров тела под действием каких либо причин называется ....

7.     При­рода в процессе эволюции использовала способ уменьшения массы чело­века и животных при сохранении прочности их  ……

8.     Наиболее отчётливо это проявилось у  …..

9.     Свойство   тел сохранять деформацию после снятия внешних нагрузок называют ....

10. Наиболее твёрдым телом является .....

Ответы:

1. ИЗОТРОПИЯ – 2-я буква

2. АНИЗОТРОПИЯ -2-я буква

3. АМОРФНЫЕ - 1-я буква

4. НАПРЯЖЕНИЕ - 1-я буква

5. СИГМА - 2-я буква

6. ДЕФОРМАЦИЯ - 2-я буква

7. СКЕЛЕТ - 1-я буква

8. ПТИЦЫ - 3-я буква 

9. ПЛАСТИЧНОСТЬ -2-я буква

10.АЛМАЗ - 1-я буква.

Из выделенных букв составить народное выражение «ЗНАНИЕ – СИЛА»

Решить задачу: Каким должен быть модуль силы, прилоложенной  к стержню вдоль его оси, чтобыв стержне возникло напряжение 1,5·10Па? Диаметр стержня равен 0,4см. Ответ: F= 1,9·10Н

 

V Подведение итогов занятия

Вопросы:

 - Что нового вы узнали на уроке?

 - Добились ли мы своей цели?

 

 

VІ Задание на дом: Б.Кронгарт «Физика 10 кл.» естественно-математического

 направления. «Мектеп» 2006 г.  с. 182-189, повторить с. 177-182

        

 

 

Просмотрено: 0%
Просмотрено: 0%
Скачать материал
Скачать материал "Методическая разработка на тему "Виды деформаций. Упругость, прочность,пластичность, хрупкость.""

Методические разработки к Вашему уроку:

Получите новую специальность за 3 месяца

Специалист по корпоративной культуре

Получите профессию

HR-менеджер

за 6 месяцев

Пройти курс

Рабочие листы
к вашим урокам

Скачать

Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 589 327 материалов в базе

Скачать материал

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

  • Скачать материал
    • 14.05.2017 2310
    • DOCX 87.8 кбайт
    • 14 скачиваний
    • Оцените материал:
  • Настоящий материал опубликован пользователем Аймагамбетова Асима Кулмуратовна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

    Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

    Удалить материал
  • Автор материала

    • На сайте: 6 лет и 9 месяцев
    • Подписчики: 0
    • Всего просмотров: 38483
    • Всего материалов: 15

Ваша скидка на курсы

40%
Скидка для нового слушателя. Войдите на сайт, чтобы применить скидку к любому курсу
Курсы со скидкой

Курс профессиональной переподготовки

HR-менеджер

Специалист по управлению персоналом (HR- менеджер)

1000 ч.

Подать заявку О курсе

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

36 ч. — 180 ч.

от 1700 руб. от 850 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 114 человек из 43 регионов

Курс повышения квалификации

Актуальные вопросы преподавания физики в школе в условиях реализации ФГОС

72 ч.

2200 руб. 1100 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 211 человек из 65 регионов

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в профессиональном образовании

Преподаватель физики

300/600 ч.

от 7900 руб. от 3950 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 46 человек из 27 регионов

Мини-курс

Искусство в контексте современности

10 ч.

1180 руб. 590 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Музыкальная журналистика: создание и продвижение контента

10 ч.

1180 руб. 590 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Поиск работы: карьерные ориентиры и мотивы выбора профессии

6 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе