Теплове розширення металів

Схема досліду

Метали, як і майже всі тверді речовини, під час нагрівання рівномірно розширюються в усіх напрямках. Оскільки метали - дуже важливі будівельні матеріали, наприклад для залізничних рейок, важливо вміти точно обчислювати це розширення.

При цьому в різних металів розширення різне за величиною, і його описує коефіцієнт розширення.

Попередні знання

Передбачається впевнене поводження з пальником Бунзена.
Учні мають випробувати, як працює кочивний покажчик: наприклад, прокотити його лінійкою на 360° (див. рисунок праворуч) і встановити:

Зміщення лінійки
Рух кочивного покажчика

Принцип

Трубки з різних металів нагрівають водяною парою, вимірюють їхнє теплове розширення за допомогою кочивного покажчика і визначають коефіцієнт лінійного розширення.

Навчальна мета

Різне за величиною теплове розширення металів має стати наочним завдяки вимірюванню і визначенню коефіцієнтів лінійного розширення і порівнюється з поведінкою газів і рідин при розширенні.. Передумовою для цього є розуміння того, як працює кочивний покажчик.

Завдання

Учні мають нагріти три металеві трубки (сталь, латунь і алюміній) водяною парою від кімнатної температури до 100 °C і виміряти розширення за допомогою кочивного покажчика. Його слід заздалегідь випробувати за лінійкою. Насамкінець слід обчислити коефіцієнти лінійного розширення і порівняти розширення металів між собою та з розширенням рідин і газів.

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Чому залізничні рейки мають через рівні проміжки невеликі зазори?

Прокладаючи залізничну колію, між окремими відрізками рейок залишають невеликі зазори, щоб металеві рейки в теплу пору (наприклад, від сильного сонячного випромінювання) мали місце для розширення, бо інакше через напруження, що виникає, можливі пошкодження.

І в інших великих металевих конструкціях, наприклад у мостах, розширення матеріалу треба враховувати в розрахунках.

Виміряй теплове розширення сталі, латуні й алюмінію при нагріванні від кімнатної температури до 100 °C. Для цього нагрій три металеві трубки водяною парою і виміряй розширення за допомогою кочивного покажчика. Спочатку випробуй роботу кочивного покажчика за лінійкою.

У додатковому завданні визнач коефіцієнти лінійного розширення і порівняй розширення металів між собою та з розширенням рідин і газів.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

3. Згвинти дві половини довгого штативного стрижня (рис. 4).

4. Закріпи довгий штативний стрижень в основі штатива (рис. 5).

5. Закріпи на штативному стрижні кільце із затискачем разом із дротяною сіткою за допомогою муфти. Постав під ним газовий пальник (рис. 6).

6. Закріпи короткий штативний стрижень у другій основі штатива і надінь на обидва штативні стрижні по одній подвійній муфті (рис. 7)

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

7. Надінь опорну втулку на алюмінієву трубку в місці виїмки (бік стікання) (рис. 8).

8. Закріпи трубку з іншого боку в місці виїмки в подвійній муфті. Металева трубка має лежати трохи похило, щоб сконденсована вода могла стікати. Тому закріпи подвійну муфту на боці стікання так, щоб вона торкалася опорної втулки. (рис. 9).

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 9

9. Встав вісь із покажчиком між подвійною муфтою і опорною втулкою (рис. 9).

10. Вибери висоту металевої трубки так, щоб вістря покажчика було якомога ближче над столом, і постав хімічний стакан під злив трубки. (рис. 10).

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

12. Всунь скляну трубочку в корок і закрий колбу Ерленмейера (рис. 13 + 14).

13. З'єднай скляну трубочку з металевою трубкою за допомогою шланга і прокладай його так, щоб перед трубкою не могла збиратися конденсована вода (рис. 15)

Рис. 14

Рис. 15

Рис. 16

1. Закріпи на столі під вістрям покажчика аркуш паперу (близько 5 см x 10 см).

2. Постав покажчик вертикально і познач початкове положення вістря покажчика (рис. 16).

3. Виміряй довжину покажчика від осі обертання до поверхні стола. Ця довжина має становити = 10,5 см. За потреби виправ установку.

4. Виміряй кімнатну температуру і запиши її в протокол.

Увага! Під час виконання досліду установки торкатися не можна, бо інакше чутливий покажчик зміститься.

Рис. 17

5. Доведи воду до кипіння і зачекай, доки з трубки не почнуть виходити конденсована вода і пара.

6. Спостерігай за покажчиком, доки він не перестане рухатися, і познач положення покажчика (відрізок на рис. 17: продовж покажчик до паперу).

7. Вимкни пальник, зачекай, доки трубка трохи охолоне, і повтори дослід з іншими трубками (гарячу трубку знімай ганчіркою!).

Увага!Під час нагрівання води кільце із затискачем, дротяна сітка і трубка стають дуже гарячими!

Матеріал

Алюміній

Латунь

Сталь

1. Виміряй на папері відхилення покажчика для трьох трубок і занеси їх до таблиці.

2. За лівими шкалами зчитай кут для кожного відхилення покажчика і занеси його.

3. Поки металева трубка розширюється на відрізок , кочивний покажчик просувається на відрізок . Тому дуга кола дорівнює відрізку

.

Обчисли розширення для різних металевих трубок і занеси його.

Табличне значення Вимірювання

Матеріал

Алюміній 23,7

Латунь 18,3

Сталь 10

Теплове розширення стрижнів або трубок характеризує коефіцієнт лінійного розширення . Справджується співвідношення:

Обчисли для кожного випадку коефіцієнт і занеси його до таблиці.