Будова і властивості твердих тіл
2-й семестр
МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА
1. Властивості газів, рідин, твердих тіл
Урок 15/86
Тема. Будова і властивості твердих тіл
Мета уроку: познайомити учнів із будовою та властивостями твердих тіл
Тип уроку: вивчення нового матеріалу
План уроку
Контроль знань | 4 хв. | 1. Змочування і незмочування. 2. Капілярні явища. 3. Капілярні явища в природі й у техніці |
Демонстрації | 6 хв. | 1. Набір кристалічних тіл. 2. Набір 3. Відео-фрагменти “Будова і властивості кристалів” |
Вивчення нового матеріалу | 25 хв. | 1. Будова і властивість твердих тіл. 2. Кристалічні тіла. 3. Аморфний стан |
Закріплення вивченого матеріалу | 10 хв. | 1. Тренуємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні запитання |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Будова і властивість твердих тіл
Ми живемо на поверхні твердого тіла – земної кулі, у спорудах, побудованих із твердих тіл,- будинках. Наше тіло, хоча й містить приблизно 80 % води, теж тверде. Знаряддя
O Не зважаючи на зовнішні відмінності, будь-які тверді тіла зберігають об’єм і форму.
Це пояснюється тим, що атоми і молекули твердих тіл розташовані в позиціях рівноваги. Сили притягання і відштовхування між молекулами (атомами) в цих позиціях рівні. Під час спроби збільшення або зменшення відстані між частинками (тобто збільшення або зменшення розміру тіла) виникає відповідно тяжіння або відштовхування.
Відповідно до атомно-молекулярної теорії, атоми чи молекули завжди знаходяться в русі. Частинки твердих тіл практично не переміщуються з місця на місце – вони постійно рухаються поблизу визначеної точки, тобто коливаються.
Молекули або атоми в твердих тілах розташовані впритул один до одного. Однак, на відміну від рідин, у розташуванні молекул або атомів у твердих тілах може бути дуже суворий порядок. Тверді тіла відрізняються також крихкістю і пластичністю. Тендітні тіла під час удару руйнуються (наприклад, чавун), а пластичні – лише змінюють форму (наприклад, свинець).
2. Кристалічні тіла
У кристалічних тілах атоми чи молекули здійснюють теплові коливання близько положення рівноваги, які утворюють, так звану, кристалічну решітку. Існують різні види кристалічних решіток, але всі вони характеризуються суворою періодичністю в просторі. Тому кажуть, що
O в кристалічних тілах існує дальній порядок у розташуванні атомів.
Наприклад, у кристалі повареної солі атоми натрію і хлору суворо чергуються, розташовуючись у вершинах куба.
Властивості кристала в значній мірі визначаються видом кристалічної решітки. Пояснимо це на прикладі графіту й алмазу. Кристалічна решітка графіту має шарувату структуру, тобто в кожному шарі атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників (що нагадують соти). “Всередині” шару атоми взаємодіють сильно, але самі шари слабо пов’язані один з одним. Тому кристал графіта легко розшаровується: коли ми пишемо олівцем, на папері залишаються тонкі шари графіту. А ось в кристалі алмазу атоми вуглецю розташовані у вершинах і серединах граней куба. При цьому всі атоми сильно пов’язані зі своїми найближчими сусідами. Саме цим жорстким зв’язком атомів і зумовлена унікальна твердість алмазу.
Найважливішою властивістю будь-якого кристалічного тіла є наявність певної температури плавлення, за якої воно перетворюється в рідину, не розм’якшуючись перед цим.
Наприклад, лід за температури 0 °С тане, перетворюючись у воду. Правильна зовнішня форма не єдиний і навіть не найголовніший наслідок впорядкованої будови кристала. Головне – це залежність фізичних властивостей від вибраного в кристалі напряму. Насамперед, це різна механічна міцність кристалів у різних напрямах.
Різні кристали по-різному проводять теплоту й електричний струм у різних напрямах. Від напряму залежать і оптичні властивості кристалів.
O Залежність фізичних властивостей від напряму всередині кристалу називають анізотропією.
Тіла, що складаються з одиночного кристала, називаються монокристалами. Тіла, що складаються з великої кількості зрощених монокристалів, називають полікристалами.
Прикладом полікристалічного тіла може служити будь-який метал. Фізичні властивості полікристалів не залежать від вибраного у ньому напряму.
Вивчення властивостей кристалів дозволило досягти небувалого прогресу в сучасному матеріалознавстві, електроніці, оптиці, медицині. Науковий центр “Інститут “Монокристал”, який розташований у Харкові, відомий своїми розробками в галузі вивчення властивостей кристалів далеко за межами України.
3. Аморфні тіла
У аморфних тілах атоми чи молекули також коливаються близько положення рівноваги. Але ці положення не утворюють кристалічної решітки, хоча найближчі “сусіди” і зберігають певний порядок у розташуванні (цей порядок називають близьким порядком).
Прикладами аморфних тіл є смола і скло. На відміну від полікристалів, які можна розбити на маленькі монокристали, аморфні тіла розбиваються на частини довільної форми. Наприклад, розглядаючи під мікроскопом товчене скло, ми не помітимо шматочків, які мають геометрично правильну форму.
Аморфні тіла володіють плинністю, тобто із зростанням температури вони поступово розм’якшуються, перетворюючись на в’язку рідину. У цьому полягає істотна відмінність від кристалічних тіл: аморфні тіла не мають певної температури плавлення.
Наприклад, якщо скло нагріти, воно стає настільки м’яким, що з нього можна ліпити. Ця властивість скла широко використовується в мистецтві та в склодувному виробництві, завдяки чому скляним виробам можна надавати практично будь-якої форми.
Запитання до учнів при викладенні нового матеріалу
1. Які основні властивості твердих тіл?
2. Які особливості будови кристалічного твердого тіла?
3. Чи виконують частинки твердого тіла тепловий рух? Чим цей рух відрізняється від теплового руху частинок у рідині й у газі?
4. Що таке кристалічна решітка?
5. Деревина анізотропна. Чи є вона кристалічним тілом?
6. Наведіть приклади аморфних тіл.
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Тренуємося розв’язувати задачі
1. Чому трос з 100 дротів витримує більший вантаж, ніж просто “пучок” з таких дротів?
Розв’язок
У “пучку” навантаження ніколи не розподіляється між усіма дротами рівно (ті дроти, довжина яких трохи більша за інші, зовсім не розтягнуті). Тому спочатку може розірватися дріт, на який припадає найбільше навантаження, потім черга наступного дроту і т. д. У тросі між дротами діє більша сила тертя: всі дроти розтягуються практично однаково, і навантаження розподіляється між ними порівну.
2). Контрольні питання
1. Олово легко розплавити. Чому ж не можна видувати з нього вироби, як це роблять зі скла?
2. Як показати, що скло – тіло аморфне, а кухонна сіль – тіло кристалічне?
3. Два кубика – один з віконного скла, другий з монокристалу кварцу – опущені в гарячу воду. Чи збережуть вони свою форму?
4. Чому шибки у старовинних соборах, які простояли понад сто років, виявляються товщі внизу, ніж вгорі?
5. Яка різниця в будові крупинки цукрового піску і кубика цукру-рафінаду?
Що ми дізналися на уроці:
– У кристалах атоми та молекули розташовані впорядковано, утворюючи кристалічну решітку.
– Кристали плавляться при певній температурі, яка називається температурою плавлення.
– Залежність фізичних властивостей від напряму всередині кристалу називають анізотропією.
– У аморфних тілах є “близький” порядок у розташуванні атомів і молекул. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення.
Домашнє завдання
1. Конспект.
2. Розв’язання задач:
P1): 1. Які факти свідчать, що скло – аморфна речовина, а кухонна сіль – кристалічна?
2. Чому при нагріванні уламка скла його гострі краї “обпливають” (набувають округлої форми)?
Р2): 1. Які речовини володіють одночасно такими властивостями, як плинність та анізотропія?
2. Чому шибки у старовинних соборах, які простояли понад сто років, виявляються товщими знизу, ніж нагорі?
3. Яка кількість теплоти необхідна, щоб розплавити 5 кг міді, нагрітої до температури плавлення? Питома теплота плавлення міді 180 кДж/кг.
Р3): 1. З якої висоти повинен вільно падати град, щоб під час удару об землю він розплавився? Температура на початку падіння дорівнює -20 °С. Теплопередачу між градом і навколишнім середовищем не враховуйте.
2. Дві однакові свинцеві кулі рухаються назустріч одна одній з однаковою швидкістю. За якої швидкості руху вони можуть розплавитися після лобового зіткнення? Початкова температура куль 27 °С, теплопередачу між кулями та навколишнім середовищем не враховуйте. Питома теплоємність свинцю 130 Дж/(кг-К), температура плавлення 327 °С, питома теплота плавлення 25 кДж/кг.
