1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Залежність розмірів фізичних тіл від температури.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Теплове розширення газів

Теплове розширення газів можна спостерігати за допомогою колби, заповненої повітрям. Шийку колби щільно закоркуємо, а в корок уставимо скляну трубку. Зануримо скляну трубку в посудину з водою. Тепер досить взятися за колбу рукою і в такий спосіб нагріти її; через деякий час повітря в колбі, розширюючись, буде виходити у вигляді бульбашок із трубки під водою.

Демонстрація. Залежність об’єму повітря від температури (круглодонна колба з гумовою пробкою, посудина з холодною водою, манометр, спиртівка, сірники).

Теплове розширення рідин

Для спостереження теплового розширення рідин наповнимо колбу підфарбованою водою та закоркуємо так, щоб частина рідини потрапила у скляну трубку, розміщену в корку.

Фіксуємо, на якому рівні розташована рідина в трубці, й опустимо колбу в посудину з гарячою водою. Спочатку рівень води в колбі трохи знизиться, і це пояснюється тим, що спочатку нагрівається й розширюється колба, а вже потім, нагріваючись, розширюється вода. Через деякий час переконуємося, що в міру нагрівання колби й води в ній рівень рідини в трубці помітно підвищується. Отже, рідини, як і гази, під час нагрівання розширюються.

Демонстрація. Залежність об’єму води від температури (круглодонна колба з підфарбованою водою, гумова пробка зі скляною трубкою, посудина з гарячою водою, спиртівка, сірники).

Теплове розширення твердих тіл

Теплове розширення твердих тіл можна продемонструвати за допомогою пристрою, який винайшов нідерландський фізик Вільгельм Якоб Ґравезанд (1688–1742).

Пристрій являє собою мідну кульку, яка легко проходить крізь пригнане до неї кільце. Нагріємо кульку в полум’ї спиртівки — нагріта кулька крізь кільце не проходитиме (рис. а). Після охолодження кулька знову легко пройде крізь кільце.

  Метали при нагріванні розширюються в усіх напрямках однаково.

Відео. Теплове розширення тіл (Час показу 4:18 хв)

Демонстрація. Розширення сталевої кульки під час нагрівання (пристрій Гравезанда, спиртівка, сірники)

  Деревина по-різному розширюється вздовж та поперек волокон.

Причина збільшення об’єму під час нагрівання

Теплове розширення тіл молекулярно-кінетична теорія пояснює так. Зі збільшенням температури збільшується швидкість руху частинок, з яких складається тіло. Середня відстань між частинками також збільшується, і, відповідно, збільшується об’єм тіла. І навпаки, зі зниженням температури тіла рух частинок стає повільнішим, міжмолекулярні проміжки зменшуються і, відповідно, зменшується об’єм тіла.

Теплове розширення тіла залежить від речовини, з якої складається тіло.

Дослідним шляхом з’ясовано, що тверді тіла  та рідини розширюються набагато менше, ніж гази.

Візьмемо алюмінієву трубку та за кімнатної температури та поміряємо її довжину. Потім нагріємо трубку, пропускаючи крізь неї гарячу воду. Через деякий час переконуємося, що довжина трубки трохи збільшилась. Замінивши алюмінієву трубку на скляну такої самої довжини, побачимо, що за умови однакового збільшення температури скляна трубка видовжується набагато менше, ніж алюмінієва.

Демонстрація. Залежність теплового розширення від речовини (прилад для демонстрації теплового розширення твердих тіл, сірники, сухий спирт).

Існують речовини, об’єм яких на певному ін­тервалі температур під час нагрівання зменшується, а під час охоло­дження — збільшується (вода, чавун, чистий кремній…)

Вода, наприклад, під час охолодження до +4 °С (точніше до 3,98 °С) стискується, як і більшість речовин. Однак починаючи з температури +4 °С і до замерзання (0 °С) вода розширюється. Саме завдяки цій властивості річки, моря й океани не промерзають до дна навіть у сильні морози. Адже саме за температури +4 °С вода має найбільшу густину і тому опускається на дно водойми. За температури ж 0 °С густина води є меншою, тому така вода залишається на поверхні й замерзає — перетворюється на лід.

Оскільки густина льоду менша від густини води, лід розташовується на поверхні води та надійно захищає водойму від глибокого промерзання. Зазначені властивості води мають неабияке значення для життя різноманітних водоростей, риб та інших істот у водоймах.

Теплове розширення в природі

Здатність тіл змінювати свої розміри під час зміни температури відіграє дуже важливу роль у природі. Про особливості теплового розширення води ви вже дізналися. Розглянемо інші приклади.

          Поверхня Землі прогрівається нерівномірно. У результаті повітря поблизу її поверхні розширюється теж нерівномірно. Цей факт — один із чинників утворення вітру, що, в свою чергу, зумовлює зміну погоди.

Нерівномірне прогрівання води в морях і океанах спричиняє виникнення течій, які суттєво впливають на формування клімату.

         Різке коливання температури в гірських районах викликає розширення та стискання гірських порід. Це відбувається нерівномірно, тому виникають тріщини, що спричиняють руйнування гір, а отже, зміну рельєфу.

Теплове розширення в повсякденному житті

Теплове розширення повітря допомагає рівномірно прогріти квартиру, остудити продукти в холодильнику, провітрити помешкання. Теплове розширення слід обов’язково брати до уваги під час будівництва мостів і ліній електропередач, прокладання труб опалення, укладання залізничних рейок, виготовлення залізобетонних конструкцій і в багатьох інших випадках.

Використання біметалевих пластинок у техніці та побуті

Явище теплового розширення використовується в техніці та побуті. Так, для автоматичного вимикання та вмикання електричних пристроїв використовують біметалеві пластинки. Дія біметалевих пластинок заснована на тому, що різні метали по-різному розширюються під час нагрівання.

Відео. Розширення біметалевої пластинки при нагріванні (Час показу 1:24 хв.)

Демонстрація. Розширення біметалевої пластинки при нагріванні (біметалева пластина на штативі, спиртівка, сірники).

Відео. Теплове реле (Час показу 0:12 хв)

В основі вимірювання температури сучасними термометрами лежить:

• теплове розширення газів (газові термометри)

Газовий термометр - призначений для вимірювання температури води, масла та інших рідин, неагресивних до матеріалу термобалону, і управління зовнішніми електричними колами нагрівальних елементів чи установок.

• теплове розширення рідин (рідинні термометри)

Рідинний термометр складається з тонкостінного скляного резервуара, сполученого з скляним капіляром. Дія рідинного термометра ґрунтується на розширенні рідини під час її нагрівання. Частина простору в капілярі, не зайнята рідиною, заповнена сухим інертним газом, що запобігає розриву рідини.

Робочою рідиною в термометрах такого типу є ртуть, спирт або толуен. Ртуть використовують найчастіше, оскільки вона існує у чистій формі, не погіршується з часом і не взаємодіє зі склом. Діапазон температур, в межах якого можливе застосування ртуті, становить від  -38,80С до +356,9 0С. При вимірюванні низьких температур перевагу мають спирт (-117,30С до +78,5 0С), або толуен (-95,10С до +110,5 0С). Проте останні речовини не такі стійкі, як ртуть, і можуть повільно розкладатися на сонці.

• теплове розширення твердих тіл (біметалеві термометри)

Біметалевий термометр ґрунтується на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури.

Оціни свою роботу над уроком смайликом на полях у робочому зошиті!

Вправа 02.1. Залежність розмірів фізичних тіл від температури.

Вправа 02.2. Сучасні термометри.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення показує, на яку частку змінюється довжина тіла при зміні температури на :

Температурний коефіцієнт об’ємного розширення показує, на яку частку змінюється об’єм речовини при зміні температури на :