Урок "Властивості твердих тіл. Кристалічні та аморфні тіла".

Тема.   Особливості будови та властивості твердих тіл. Кристалічні та аморфні тіла.

Мета: формувати у студентів поняття про кристалічні і аморфні тіла та їх властивості, типи кристалів, механічні властивості твердих тіл; показати практичну значущість вивчення теми; розвивати творчу активність; сприяти формуванню пізнавального інтересу, розвитку технічних умінь у процесі навчання.

Вид заняття: засвоєння нових знань.

Обладнання: набір кристалічних тіл, вирощений кристал мідного купоросу, шматок пластиліну, гумова стрічка, пружина, пристрій для демонстрації деформацій, презентація «Особливості будови та властивості твердих тіл. Кристалічні та аморфні тіла»

Хід заняття

1. Організаційний етап
2. Актуалізація опорних знань

Оскільки певні знання про твердий агрегатний стан речовини студенти вже мають з курсу фізики 7-8 класів, ставлю низку запитань.

Запитання до студентів

1.   Чи мають тверді тіла об'єм? …форму?
2.   Чи утворюють тверді тіла струмені? …течуть?
3.   Чи можна тверді тіла стиснути?
4.   Як розміщені молекули й атоми у твердих тілах? Як вони рухаються?
5.   Що можна сказати про взаємодію молекул в твердих тілах?

3. Мотивація навчальної діяльності

Слайд 1.

Земна куля — тверде тіло; наші оселі побудовані з твердих тіл. Практично все, чим користувались і користуються люди, зроблено з твердих тіл — від рубила, меча та плуга до космічних кораблів і комп'ютерів. Те, що різні матеріали мали безпосеред­ній вплив в розвиток суспільства, свідчать назви цілих періодів історії: кам'яний вік, бронзовий, залізний тощо.

Роль матеріалів у розвитку цивілізації залишається величез­ною. У XX ст. стався колосальний прорив у матеріалознавстві — науці про властивості матеріалів. Створено безліч матеріалів із заданими властивостями. Ера космосу, інформатизації, нанотехнологій — це результат серйозних досягнень у матеріалознавстві. Отже, вивчення властивостей твердих тіл — важлива і життєво необхідна задача в фізичній науці.

Повідомлення теми, мети й завдань заняття

Слайд 2.

Повідомлю тему заняття і пропонує студентам ознайоми­тися з планом її вивчення, записаним на дошці. Потім прошу студентів самостійно сформулювати мету заняття і за необхідності вно­шу корективи у їхні відповіді.

Слайд 3.

План вивчення теми

1. Кристалічні тіла та їх властивості.
2. Аморфна тіла та їх властивості
3. Деформація твердих тіл, види деформацій

4. Сприймання й первинне осмислення нового матеріалу

Слайд 4.

1.  Кристалічні тіла та їхні властивості

Отже, тверді тіла зберігають свою форму і об'єм, характер молекулярного руху — коливання атомів чи молекул навколо положень рівноваги.

Розрізняють кристалічні та аморфні тверді тіла.

Слайд 5.

Кристалічним твердим тілам властива регулярна просторова періодичність у розташуванні рівноважних положень атомів – далекий порядок.

Іншими словами кристали – це тверді тіла, атоми і молекули яких займають впорядковані положення в просторі.

Просторова правильність розташування атомів кристалів веде до мінімуму його внутрішньої енергії до більшої стабільності кристалів порівняно з аморфними тілами.

Розглянемо основні властивості кристалічних тіл:

Слайд 6-7.

•  Правильна зовнішня форма (симетричність).

Слайд 8.

• Наявність чіткої температури плавлення; уся енергія, яка підводиться до тіла за даної температури, йде на збільшення потенціальної енергії молекул та руйнування кристалічної ґратки Кінетична енергія молекул незмінна, тому температу­ра тіла під час плавлення не змінюється;
•  Наявність чіткої межі між рідким і твердим станом;

Слайд 9.

•  анізотропія — залежність фізичних властивостей (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних) від вибрано­го в кристалі напрямку.

До кристалів належать метали, лід, сіль, кварц тощо. (Демонстрація кристалів.)

Кристали поділяються на монокристали («моно» — один) — великі поодинокі кристали (кварц, турмалін, сегнетові солі тощо) та полікристали («полі» — багато) — кристали, які складаються з великої кількості дрібних і хаотично орієнтованих кристалів (метали, глина, сплави металів тощо).

2.   Типи твердих кристалів

Слайд 10.

Залежно від виду частинок, розміщених в вузлах кристаліч­них ґраток, і характеру сил взаємодії між ними кристалі поді­ляють на чотири типи.

Вузол кристалічної ґратки – це точка, відносно якої атом (молекула) здійснює коливання. Розрізняють чотири типи кристалів (і кристалічних решіток): іонні, атомні, металічні і молекулярні.

 Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.

До йонних кристалів належать більшість неорганічних сполук: солі, оксиди металів тощо. Йонні кристали досить міцні.

 Атомні кристали. Їхні кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються. Атоми, що знаходяться у вузлах, зв’язані із своїми найближчими сусідами ковалентним зв’язком.

 За умови ковалентного зв’язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар. Атомні кристали – напівпровідники, багато органічних твердих тіл: оксид берилію, сульфід цинку, різновиди вуглецю – графіт, алмаз тощо. Ці речовини найміцніші.

 Металічні кристали. У всіх вузлах ґратки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Разом з тим і електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.

Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки знаходяться молекули речовини, зв’язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії.

Молекулярні кристали – молекули йоду, брому, нафталіну, льоду, парафіну, деякі органічні сполуки, між молекулами яких діють слабкі сили притягання. Ці кристали найменш міцні, легко випаровуються («сухий лід»). Мають низькі температури плавлення(твердий водень, кисень тощо).

Типи кристалів

Тип кристалів	Що знаходиться у вузлах кристалічних ґраток	Приклади кристалів
Іонні	Іони розміщуються почергово з протилежними зарядами	Сіль NaCl
Атомні	Нейтральні атоми, які утриму­ються ковалентними зв'язками квантово-мехайічного похо­дження	Алмаз
Металічні	Позитивні іони (між вузлами — електронний газ)	Метали з високою електропроводністю
Молеку­лярні	Нейтральні молекули, які вза­ємодіють за рахунок зміщення електронних оболонок атомів	Парафін, Вr2, СН4

 3. Аморфні тіла та їх властивості

Слайд 11.

Аморфні тіла – фактично тверді рідини. Їм властива наявність тільки близького порядку (тобто деяка впорядкованість у розташуванні сусідніх частинок) та поєднання коливального теплового руху молекул з перестрибуванням їх у нові положення коливань.

Слайд 12.

•  не мають фіксованої температури плавлення, оскільки не мають кристалічної ґратки;
•  не мають чіткої межі між твердим і рідким станами (розмягчаються);
•  аморфні тіла ізотропні, тобто їх фізичні властивості однакові по всіх напрямах.

До аморфних тіл належать смола, скло, пластмаси.

При зовнішніх діях аморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і текучість, подібно рідині.

Так, при короткочасних діях (ударах) вони поводяться як тверді тіла і при сильному ударі розколюються на шматки.

Але при дуже тривалій дії аморфні тіла течуть.

 Простежимо за шматком смоли, який лежить на гладкій поверхні. Поступово смола по ній розтікається, і, чим вище температура, тим швидше це відбувається.

Узагальнення властивостей кристалічних та аморфних тіл

Заповнити таблицю

Слайд 13-14.

№ п/п	Питання	Кристалічні тіла	Аморфні тіла
1	Який порядок розміщення частинок?
2	Ізотропні чи анізотропні?
3	Чи мають сталу температуру плавлення?
4	Чи наявна межа між твердим і рідким станами?
5	Чи мають таку властивість, як текучість?
6	Навести приклади твердих тіл.

4. Механічні властивості твердих тіл

Якщо до твердого тіла прикласти силу, воно деформується — змінює свою форму або об'єм (а найчастіше і те й інше).

Сила, яка виникає під час деформації і перешкоджає цій деформації та напрямлена перпендикулярно до поверхні деформованого тіла, — сила пружності.

Слайд 15.

Розрізняють пружну і пластичну деформації.

1)  Пластична деформація — не зникає після припинення дії зовнішніх сил. (Демонстрація пластичної деформації за допомогою шматка глини, пластиліну.) За пластичних деформацій відбувається ковзання молекулярних шарів один відносно одного, при цьому не виникає «повертальної сили», оскільки відстані між атомами не змінюються.

2) Пружна деформація — повністю зникає після припинення дії зовнішніх сил. (демонстрація пружної деформації за допомогою пружини, гумової стрічки). За пружних деформацій змінюються відстані між атомами, оскільки намагається набути попередньої форми.

Види деформацій

Виклад даного запитання, супроводжую демонстрацією різних видів деформацій за допомогою пристрою для демонстрації деформацій (тверде тіло, яке складається з ряду паралельних пластин, сполучених між собою пружинами).

Слайд 16.

Деформація розтягування (стиснення). Якщо до одного стрижня, закріпленого одним кінцем, прикласти силу F уздовж осі стрижня в напрямі від цього кінця то стрижень зазнає деформації розтягу.

Деформацію розтягування зазнають троси, канати, ланцюги в підйомних пристроях, механізм автозчеплення між вагонами і так далі.

Деформація зсуву. Візьмемо гумовий брусок з накресленими на його поверхні горизонтальними і вертикальними лініями і закріпимо на столі.

Зверху до бруска прикріпимо рейку і прикладемо до неї горизонтальну силу. Шари бруска зрушаться, залишаючись   паралельними, а вертикальні грані, залишаючись плоскими, нахиляться на кут.

Деформацію, при якій відбувається зсув шарів тіла один щодо одного, називають деформацією зсуву.

У реальних твердих тіл при деформації зсуву об'єм також не міняється.

До деформацій зрушення схильні всі балки в місцях опор, заклепки і болти, що скріпляють деталі і так далі.

Зсув на великі кути може привести до руйнування тіла - зрізу.

 Зріз відбувається при роботі ножиці, долота, зубила.

Згин і кручення. Складнішими видами деформації є вигин і кручення.

Деформацію згину випробовує, наприклад, навантажена балка.

Кручення відбувається при закручуванні болтів, обертанні валів машин, свердел і так далі.

Ці деформації зводяться до неоднорідного розтягування або стиснення і неоднорідного зрушення.

Всі деформації твердих тіл зводяться до розтягування (стисненню) і зсуву. При пружних деформаціях форма тіла відновлюється, а при пластичних не відновлюється.

VI. Закріплення нового матеріалу

Запитання до студентів

1. Куля, виточена з монокристалу, під час нагрівання може змінити не тільки свій об'єм, а й форму. Чому?

2. Чому у мороз сніг хрустить під ногами?

3. Чому в природі не існує кристалів кулястої форми?

4. Якого виду деформації зазнають ніжки учнівського стільця? Сидіння? Спинка?

5. Якого виду деформації зазнають дверні навіси? Зуби пилки?

VII. Підбиття підсумків заняття та повідомлення домашнього завдання

Викладач рекомендує студентам самостійно підбити підсумок заняття та оцінює діяльність студентів; обговорює домашнє завдання і демонструє вирощений кристал мідного купоросу.

Слайд 17.

Домашнє завдання

1. Вивчити теоретичний матеріал за підручником: § 22, п. 2 (Ф-10 Ген.)

2. Виконати творче завдання.

Виростити кристал мідного купоросу в домашніх умовах., скориставшись інтернет-підтримкою:

http://taurian.com.ua/yak-virostiti-kristal-midnogo-kuporosu-v-domashnih-umovah-foto-ta-video.html