С.П.Тронина,
ИПКиПРО, г. Ижевск, Удмуртская Республика
ipkro@udmnet.ru

Тепловые и механические свойства твёрдых тел

Программа элективного курса

Цель курса: познакомить с тепловыми и механическими свойствами металлов, необходимыми для овладения профессиональными навыками по металлообработке.

Пояснительная записка

Прогресс требует от человека максимального развития способностей, умений и навыков трудовой деятельности. В этих условиях значительна роль физики как основы техники. Политехническое обучение даёт возможность профессиональной ориентации учащихся, в частности, на профессии металлообработки. предлагаемый элективный курс как раз и рассчитан на усиление практической направленности изучения курса физики.

Программа обеспечивает возможность дифференцированной работы с учащимися разных классов. С этой целью она разбита на блоки. В теоретическом блоке предполагается составление и решение задач производственно-технического содержания, что способствует сознательному усвоению прикладного материала, расширяет политехнический кругозор, создаёт условия для профессиональной ориентации.

В экскурсионном блоке предусматриваются комплексные и межпредметные экскурсии на производственные металлообрабатывающие объекты, в ходе которых учащиеся могут не только изучать разные установки, но и выполнять экспериментальные исследования.

Наконец, в практическом блоке выполняются лабораторно-практические работы по разным темам курса (5 ч), в ходе которых учащиеся изучают важнейшие практические приложения физики, связанные с современным металлообрабатывающим производством; даются комплексные исследовательские и конструкторские задания.

Заканчивается элективный курс конференцией, на которой обсуждаются результаты самостоятельных исследований учащихся, прикладные аспекты изученных разделов предмета, подводятся итоги индивидуальной деятельности при выполнении лабораторных заданий, в ходе экскурсий, при составлении и решении задач производственного содержания, конструировании моделей технических установок и технологических объектов.

Тематический план курса

Лабораторный практикум

1. Наблюдение расширения металлов при нагревании.

Цель: пронаблюдать расширение металлов при нагревании и их сокращение при охлаждении.

Оборудование: стержень алюминиевый, брусок деревянный, булавка с насаженной на неё под углом 90° бумажной стрелкой, штатив с лапкой.

Ход работы

1. Зажмите горизонтально алюминиевый стержень одним концом в лапке штатива, другой его конец положите на деревянный брусок. Подложите под этот конец булавку так, чтобы стрелка смотрела вниз, и плотно прижмите этот конец грузом.

2. Стрелку немного отклоните вправо, сделайте карандашом отметку на поверхности бруска.

3. Поднесите зажжённую спиртовку к стержню. Пронаблюдайте за отклонением стрелки вследствие расширения стержня при нагревании.

4. Уберите спиртовку. Пронаблюдайте возвращение стрелки к исходному положению вследствие остывания стержня и сокращения его размера.

5. Сделайте вывод о расширении твёрдых тел при нагревании.

2. Наблюдение теплопроводности твёрдых тел.

Цель: убедиться в том, что различные твёрдые тела обладают разной теплопроводностью.

Оборудование: стержни алюминиевый, стальной, стеклянный; спиртовка; штатив.

Ход работы

1. Зажгите спиртовку, возьмите за концы алюминиевый и стеклянный стержни и внесите их свободными концами одновременно в пламя спиртовки. Убедитесь в том, что конец алюминиевого стержня у вас в руке нагрелся, а конец стеклянного – нет.

2. Повторите то же со стальным и стеклянным стержнями. Убедитесь, что металлы являются хорошими проводниками тепла, а стекло – плохим.

3. Повторите то же со стальным и алюминиевым стержнями. Убедитесь, что у этих металлов теплопроводность разная.

4. Нагревайте стальной стержень. При этом пальцем свободной руки медленно проведите вдоль стержня, от холодного конца к горячему, и найдите место, до которого стержень прогрелся. Повторите это несколько раз и приблизительно определите скорость теплопередачи. В качестве отчёта представьте схематические рисунки с краткими пояснениями и выводами.

3. Определение твёрдости металлов методами Бринелля и Роквелла.

Цель: определить твёрдость (прочность) различных металлов.

Оборудование: прибор для определения механических свойств материалов ПИМ (учебный); бруски стальной, алюминиевый; индикатор и т.д.

Ход работы

Часть I

1. Зажмите прибор для определения твёрдости по Бринеллю в слесарных тисках.

2. Установите наконечник с шариком диаметром 2,5 мм.

3. Положите на середину опорного столика под наконечник стальной образец.

4. Измерительный наконечник подведите к образцу до касания с поверхностью, закрепите индикатор, установите стрелку индикатора на ноль.

5. Рукояткой и винтовой парой вдавите шарик в образец под нагрузкой 1875 Н.

6. По индикатору определите глубину вдавливания шарика.

7. По таблице найдите площадь отпечатка.

8. Вычислите твёрдость по Бринеллю по формуле HB=P/S , где P – нагрузка, S – площадь отпечатка.

9. То же самое произведите с алюминиевым образцом.

Часть II

10. Замените наконечник с шариком диаметром 2,5 мм на другой, с шариком диаметром 1,588 мм.

11. Вдавите шарик в стальной брусок под нагрузкой P = 1000 Н.

12. Определите по индикатору глубину вдавливания шарика.

13. Вычислите твёрдость по Роквеллу по формуле HR = (K – h)/C, где h, мм – глубина вдавливания шарика, K = 0,26 – постоянная, C – углубление шарика (0,002 мм соответствует одному делению шкалы индикатора).

14. То же самое произведите с алюминиевым образцом.

15. Сделайте вывод о величине твёрдости по Бринеллю и по Роквеллу.

Темы творческих домашних заданий (примерные)

– Получение кристаллов.

– Сравнение структуры твёрдых тел и жидкостей.

– Определение теплоёмкостей твёрдых тел и жидкостей.

– Способы повышения прочности твёрдых тел.

– Определение предела прочности стали на разрыв с помощью гидравлического пресса.

– Определение твёрдости стали до и после закалки.

Литература

Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Шефер  Н.И. Факультативный курс физики. 9-й класс. – М.: Просвещение, 1974.
Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. – М.: Просвещение, 1970.
Хорошавин С.А. Физико-техническое моделирование. – М.: Просвещение, 1983.
Школьникам о современной физике. Физика твёрдого тела: Под ред. проф. В.З.Кресина. – М.: Просвещение, 1975.
Хрестоматия по физике: Под ред. Б.И.Спасского. – М.: Просвещение, 1982.

---

Светлана Петровна Тронина – методист кафедры естественнонаучных дисциплин Института повышения квалификации и переподготовки работников образования Удмуртской Республики.