Теплове розширення твердих тіл

Рис. 1: установка досліду

Кожне тверде тіло за даної температури займає певний простір. Воно має певний об'єм. Якщо температура твердого тіла змінюється, то, як правило, змінюється і його об'єм, тобто його довжина, ширина і висота.

І в довгих твердих тіл, наприклад у трубопроводах, сталевих мостах, залізничних рейках, бетонних покриттях автомагістралей чи лініях високої напруги, зі зміною температури змінюється об'єм, а отже й розміри.

Попередні знання

Учні мають володіти знаннями про теплове розширення і бути обізнаними з означенням поняття "коефіцієнт лінійного теплового розширення ".

Принцип

Тверде тіло під впливом тепла змінює свої геометричні розміри; це називають тепловим розширенням. У цьому досліді різні металеві трубки нагрівають водяною парою і досліджують їхнє теплове розширення. При цьому зміну довжини унаочнюють покажчиком на осі, по якій трубка може котитися. Теплове розширення різних металів якісно порівнюють між собою.

Навчальна мета

Різні матеріали під впливом тепла розширюються по-різному. Теплове розширення можна описати характерним для матеріалу коефіцієнтом лінійного теплового розширення α . Крім того, слід пояснити принцип дії покажчика на осі.

Завдання

1. Якісне порівняння теплового розширення різних металевих трубок.

2. Геометричне виведення принципу дії покажчика на осі.

3. Обчислення характерного для матеріалу коефіцієнта лінійного теплового розширення α.

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

Рис. 2: Обладнання

1. Постав магнітний тримач для бутанового пальника ліворуч унизу на демонстраційну дошку. (рис. 3)

2. Закріпи тримач для сітки із сіткою або на позначці 240 (бутановий пальник), або на позначці 180 (пальник Бунзена).

3. Наполовину наповни колбу Ерленмейера водою і додай туди ж дві кульки для кипіння.

4. Встав за допомогою гліцерину скляну трубочку завдовжки 80 мм у гумовий корок і закрий ним колбу Ерленмейера.

5. Надінь на кінець скляної трубочки силіконовий шланг.

6. Постав колбу Ерленмейера за допомогою затискного тримача (28 до 36 см) над пальником Бунзена на дошку і опусти її на дротяну сітку.

7. Тепер підготуй установку з металевих трубок. Трубки мають дві виїмки на відстані l = 500 мм, а також скошений кінець. Зафіксуй, як показано на рис. 3, виїмку біля скошеного кінця в опорній втулці для теплового розширення, а на другій виїмці - затискний тримач (0 до 13 мм). Почни, наприклад, з алюмінієвої трубки.

Рис. 3: схема досліду

8. Тепер постав опорну площадку пласким боком угору праворуч на дошку. Розташуй трубку посередині дошки і з'єднай її із силіконовим шлангом на прямому кінці. Праворуч вона лежить на опорній площадці.

9. Трубка має лежати з невеликим нахилом праворуч, щоб конденсат міг стікати.

10. Тепер склади вісь із покажчиком (рис. 4). Для цього просунь покажчик боком із противагою крізь отвір в опорній площадці. Вісь тоді лежить на опорній площадці. Стеж за прямим кутом між віссю і дошкою, щоб покажчик під час відхилення не тер дошку і міг вільно рухатися.

11. Поверни трубку кінцем із затискним тримачем разом з опорною втулкою на вісь так, щоб забезпечити достатній притискний тиск. Положення осі можна потім обережно оптимізувати.

12. З'єднай штекер давача температури з ADM 3. Для вимірювання кімнатної температури використай ADM 3.

Рис. 5: Схема досліду

Увага! Трубка, як і водяна пара, що виходитиме з кінця, гарячі. Є небезпека опіку!

1. Постав покажчик вертикально і познач його початкове положення синьою стрілкою впритул до покажчика. Під час досліду не штовхай ані трубку, ані покажчик!

2. Увімкни пальник Бунзена, доведи воду до кипіння і зачекай, доки з кінця трубки почне виходити пара. Постав знизу склянку, щоб збирати конденсат.

3. Спостерігай за покажчиком і чекай, доки він перестане рухатися. Познач кінцеве положення червоною стрілкою впритул до покажчика.

4. Виміряй відстань між червоною і синьою стрілками.

5. Дай трубці трохи охолонути і зніми її за допомогою ганчірки.

6. Повтори дослід із трубками з різного матеріалу.

Крім того:

1. Визнач кімнатну температуру за допомогою ADM 3.

2. Виміряй довжину покажчика від середини осі до вістря.

Табл. 1

Далі спершу наведено приклад результатів вимірювань (таблиця 1):

Довжина металевих трубок = 500 мм

Радіус осі = 2 мм

Довжина покажчика = 102 мм

Кімнатна температура = 23 °C

Температура кипіння = 100 °C

Рис. 10: Кочення

a) Геометрія покажчика на осі

1. Треба вивести співвідношення між відхиленням покажчика на осі sі тепловим розширенням △l.

У цьому допоможуть рис. 10 і 11

Рис. 11: Геометрія покажчика на осі

2. Щоб ознайомитися з принципом дії, учні мають лінійкою (замість трубки з опорною втулкою) прокотити вісь по ребру на 360 °. Результат відображає рис. 10:

Зміщення лінійки 2,5 см

Рух покажчика на осі 1,25 см

Довжина кола покажчика на осі 1,25 см

Рис. 12: Геометрія покажчика на осі

3. Якщо лінійка рухається на відстань , то покажчик на осі рухається на відстань . Прокочену відстань можна пов'язати через довжину кола осі з кутом відхилення :

4. Тепер відстань s пов'язують із кутом. Вона відповідає дузі кола, що належить куту . При цьому відстанню нехтують. (Обчислення через тангенс або синус кута повороту дало б у межах точності вимірювання ті самі результати)