Урок на тему «Строение и свойства кристаллов, физические основы прочности».

Задачи урока: обучающие – познакомить с моделями кристаллических решеток, определить общие и особенные свойства твердых тел, раскрыть понятия анизотропии, напряжения, модели Юнга, развивающие – развитие мыслительных операций: анализа, синтеза, классификации, систематизации на основе индивидуальной и групповой работы, создании обратной связи «ученик-учитель», воспитательные – показать важность физики твёрдого тела для жизнедеятельности людей, воспитывать умение аргументировать свои утверждения, способность уважать чужую точку зрения.

Тип урока: изучение новой темы.

В данной разработке сочетаются элементы развивающего обучения Эльконина-Давыдова, проблемного обучения.

Формы работы: групповая, фронтальная, индивидуальная.

Оборудование: модели решеток, образцы кристаллов, выращенные учениками, линзы, модель твердого тела, губки, проволока, динамометры, пластилин, пластмассовые ручки от шкафов.

Объект изучения: твёрдое тело.

Этапы урока

I. Организационный момент.

II. Этап усвоения новых знаний и умений.

Задача этапа: понять, как рассчитывается предел прочности на основе знания о структуре кристаллов.

1. Постановка проблемы

Учитель: Сегодняшний урок я хочу начать с печальной статистики. Франция – несколько лет назад была разрушена крыша аэропорта, Катовице – выставочного центра, Пермь – бассейна, Москва – аквапарка, Басманного рынка, происходят обвалы в шахтах.

Причина – не выдержали опорные конструкции.

Кто виноват? Частично – инженеры, конструкторы, техники, проектировщики, т.е. те люди, которые должны были правильно рассчитать предполагаемую нагрузку, используя законы физики твёрдого тела.

А теперь представьте, что вы архитекторы и занимаетесь проектировкой высотного здания. Какую проблему вам нужно решить в первую очередь? Совершенно верно, выбрать материал для фундамента. Материал должен быть очень прочным и упругим. Свойства и строение твердых тел изучает физика твердого тела.

Вывод: для проектировки мостов, дорог, зданий, машин, радиотехнических приборов нужно знать основы физики твёрдого тела.

Задача урока (ученики переписывают с доски): познакомиться с основами физики твердого тела, исследуя свойства и структуру кристаллов, величины, характеризующие механические свойства кристаллов, найти связь между структурой и прочностью.

С чего начинать изучение физики твёрдого тела? Конечно с исследования строения и свойств твердых тел. Запишите тему: «Строение и свойства кристаллов, физические основы прочности».

2. Исследование структуры кристаллов методом эвристической беседы и групповой работы

по карточкам.

Учитель раздает образцы заданий группам учеников. В карточках предлагаются вопросы, связанные со свойствами и строением кристаллов (см. образец заданий для групповой работы).

Учитель: В машиностроении, строительстве зданий и мостов очень часто применяются кристаллические твердые тела. Чтобы уметь отличать их от остальных твердых тел, ответьте на первый вопрос вашей карточки.

Ученик: Металлы, алмаз, кремний – это кристаллы, так как частицы этих веществ расположены в правильном порядке, образуя кристаллическую решетку.

Учитель: Лед, сталь, графит, поваренная соль – кристаллы, но они очень отличаются по прочности и другим физическим свойствам. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, поработайте над вторым заданием вашей карточки и рассмотрите модели решеток этих веществ, лежащих на демонстрационном столе.

Ученик: У льда в узлах решетки молекулы, у стали – положительные ионы, у графита – атомы углерода, у соли ионы натрия и хлора. Тип связи в этих веществах разный. Самой прочной считается ковалентная и металлическая связь. Молекулярная связь самая слабая, поэтому прочность льда всех меньше.

Учитель: Графит и алмаз состоят из атомов углерода, но алмаз самый прочный минерал, а графит хрупкий. Почему? Для ответа на этот вопрос проанализируйте задание 3 вашей карточки и внимательно рассмотрите модели решеток алмаза и графита, лежащих на демонстрационном столе.

Ученик: Решетки отличаются по форме и расположению в них частиц.

Учитель: Да, решетки бывают в виде куба, призмы. Частицы могут располагаться в середине граней, такие решетки называются гранецентрированные. В объемноцентрированных решетках частицы располагаются в узлах решетки и в центре куба. Алмаз имеет решетку в виде призмы, а графит слоистую. Это приводит к различию в прочности. Очень многие кристаллы могут существовать в нескольких модификациях, которая образуется при разном сочетании давления и температуры. Это явление называется полиморфизмом.

Стекло и лед внешне похожи – они прозрачные, хрупкие, но лед – это кристалл, а стекло – аморфное тело. Как отличить кристалл от не кристалла? Внимательно рассмотрите рисунки 154 и 155 учебника, затем посмотрите на экран (учитель с помощью проектора выводит на экран тезисы: «Симметрия – повторение отдельных частей относительно оси или плоскости», «Кристаллы блещут своей симметрией»). Ваш вывод?

Ученик: Кристаллам присуще свойство симметрии.

Учитель: Правильно. А еще кристаллам присуща определенная температура плавления в отличие от не кристаллов. А еще…

Попытайтесь ответить на пятый вопрос вашей карточки.

Ученик: В разных направлениях расстояния между частицами различны, поэтому и прочность различна.

Учитель: Различны и другие свойства: оптические, электрические,  тепловые. Различие физических свойств в разных направлениях называется анизотропией. Свойство анизотропии присуще только одиночным (моно) кристаллам, металлы представляют собой поликристаллы, поэтому у них все свойства в разных направлениях одинаковы.

3. Учитель: Итак, мы рассмотрели внутреннюю структуру кристаллов, нашли связь между

расположением частиц и свойствами кристаллов. Сформулируйте основные выводы по

проделанной работе.

После обсуждения представитель каждой группы предлагает свои выводы. Оптимальный

вариант записывается учениками в тетрадь.

1)     В кристаллах частицы расположены в правильном порядке.

2)     Отличительные признаки кристалла – определенная температура плавления, анизотропия, симметрия. Анизотропия присуща только монокристаллам.

3)     Прочность кристалла зависит от вида связи и от типа кристаллической решетки, так же от вида модификации.

4. Одним из важнейших свойств кристаллов, необходимых для строительства зданий, мостов, станков, машин, бытовой техники, является прочность, то есть способность тела сопротивляться внешним нагрузкам.

Что происходит с кристаллом, если к нему приложить внешнюю силу? Ответ: тело изменяет форму – деформируется.

Учитель вновь предлагает задание группам: приложить нагрузку к телам, лежащим в лотках (пружина, проволока, кусок бельевой резинки, пластилин, графитовый стержень),  исследовать их внешний вид и закончить предложения, используя схему, изображенную в образце заданий для групповой работы под пунктом №6.

1) Деформация – это… (изменение формы тела под действием внешней силы).

2) Деформации бывают… (упругие и пластические, упругие: растяжения, изгиба, кручения, сдвига).

3) Деформация растяжения или сжатия характеризуется… (удлинением).

Учитель: Чтобы закончить следующий тезис, я предлагаю рассмотреть диаграмму растяжения образца, изображенную на доске (см. вложенный файл). На диаграмме изображен график зависимости удлинения от нагрузки. Начальный участок графика представляет прямую линию. Это значит, что…

4) При малых деформациях выполняется… (закон Гука: Fупр=kх или Fупр = kΔl).

А что обозначает самая высокая точка графика?

Ученик: Это тот предел нагрузки, при которой происходит разрушение.

Учитель:  Основные части машин, домов испытывают большие нагрузки. Как рассчитать тот опасный

предел, когда тело начнёт разрушаться? Нужно уметь рассчитывать механическое напряжение.

После знакомства учеников с напряжением и новой формой записи закона Гука учитель предлагает самостоятельно установить связь между формулами Fупр = kΔl и s = εE

4. Анализ диаграммы растяжения (ученики перерисовывают диаграмму с доски, анализируют график с помощью учителя и устанавливают смысл предела пропорциональности, предела упругости, предела прочности).

sпр – предел пропорциональности (выполняется закон Гука)

sупр – предел упругости (после снятия нагрузки остаточных деформаций нет)

sпч – предел прочности (максимальное напряжение, превысив которое образец разрушается)

Вопрос учителя: какую величину нужно уметь рассчитывать инженеру, работающему с конструкционными и строительными материалами, архитектору, инженеру по строительству мостов?

Ответ: нужно уметь рассчитывать значение предела прочности, делая поправку на то, что в реальных кристаллах присутствуют дефекты, ослабляющие прочность тела, поэтому теоретический предел прочности бывает во много раз больше реального. С целью увеличения прочности и долговечности конструкций используют такие методы:

– сочетание разнородных по своему строению и свойствам материалов, например, бетона и стали, так как бетон хорошо противостоит сжатию, а сталь – растяжению,

– введение легирующих добавок (никеля, хрома, марганца и так далее) в сталь и графита в чугун. Термообработка стали (закалка, отпуск, отжиг) в сочетании с прокаткой.

Таким образом, глубокое изучение структуры твердого тела и улучшение свойств материалов в зависимости от их практического назначения приводят к качественному изменению самих материалов, к прочности и долговечности конструкций и машин.

III. Этап первичной проверки понимания

Рассчитать, груз какой массы может выдержать школьный канат радиусом 0,023 м, предел прочности 5*106Па

Решить задачу 612(676) [4], задачу 25.3 [2] – в группах.

Придумать рекламу для ФТТ, например:

У вас бессонница, страхи, тревога? Откройте книгу о кристаллах и вы будете спать сном младенца.

Хочешь стать блестящим архитектором – изучай ФТТ.

Хочешь стать гениальным металлургом – изучай ФТТ.

Хочешь стать талантливым строителем – изучай ФТТ.

IV. Рефлексия

1. Письменно ответить на вопрос: значимость физики твердого тела?

2.Выберите те мыслительные операции (см. вложенный файл) и практические умения, над развитием которых вы сегодня работали и поставьте соответствующие номера у себя на листочке.

Рисунок выведен на экран с помощью проектора.

3. Сегодня на уроке я… (узнал, доказал, научился, убедился, понял).

Новые понятия…

Интересным было…

Меня удивило…

Д/з:  §75, 76 [1], № 677, 665 [4]. Подготовить сравнительную таблицу по кристаллам и аморфным телам.

Литература:

1. Мякишев, Г.Я Физика. 10 класс. / Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение, 2003.

2. Пинский А.А. Физика. 10 класс. – М.: Просвещение, 1993

3. Шахмаев Н.М. Физика. 10 класс. / Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев. – М.: Просвещение, 1994.

4. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. Для 9-11 кл. сред. Школы. Изд. 14-е. – М.: Просвещение, 1992.

Наталья Дресвянникова, учитель физики гимназии города Вятские Поляны Кировской области