- Основные свойства твердых тел
- Типы твердых тел
- Свойства твердых веществ аморфного типа
- Особые свойства твердых тел
- Пластичность и хрупкость
Твёрдые тела отличаются от других тел рядом признаков и свойств. Все они имеют сходные между собой характеристики. Все эти свойства и характеристики изучаются в ходе постоянно совершенствующегося познавательного процесса окружающего мира.
Твердые тела физика изучает на протяжении всего своего существования как науки. Исследования, в том числе и при которых изучаются свойства тел, проводятся на микро и макроуровнях. Изучение физических тел, включая свойства твёрдых тел – один из основных вопросов современной физики.
Основные свойства твердых тел
Твердым телам свойственны: упругость, пластичность и хрупкость.
Упругость – свойство тела возвращать форму в исходное положение после прекращения действия физической силы извне. К примерам можно отнести резину.
Пластичность – свойство, заключающееся в закреплении приобретенной формы после остановки или прекращения внешнего воздействия. Это свойство не восстанавливать свою форму. Примеры: пластилин, глина.
Хрупкость – свойство тела разрушаться при малых деформациях. Примеры: стекло, фарфор.
Презентация «Механические свойства твердых тел» презентация к уроку по физике (10 класс) на тему
Слайд 1
Механические свойства твердых тел
Слайд 2
Деформация — изменение формы тела или объема тела под действием внешних сил.
Слайд 3
Упругие , которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил . Пластические , которые не исчезают после прекращения действия внешних сил. По характеру деформации делятся на:
Слайд 4
Некоторые виды ( Не все !) деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия. Различают несколько видов деформации :
Слайд 5
Деформация растяжения (сжатие) — деформация при которой происходит изменение линейных размеров тел. Деформацию растяжения тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами. Деформацию сжатия испытывают столбы, колонны, стены, фундаменты зданий
Слайд 6
Деформации сдвига подвержены все балки в местах опор, заклёпки и болты, скрепляющие детали и т.д. Сдвиг на большие углы может привести к разрушению тела — срезу. Срез происходит при работе ножниц, долота, зубила, зубьев пилы. Деформация сдвига — деформация при которой происходит смещение слоёв тела относительно друг друга
Слайд 7
Деформации кручения подвержены валы машин, сверла, оси. Деформация кручения — деформация при которой отдельные слои тела остаются параллельными, но смещаются относительно друг друга по винтовой линии.
Слайд 8
Деформация изгиба — деформация при которой все слои тела можно разделить на три: испытывающий сжатие, испытывающий растяжение и разделяющий их недеформированный (нейтральный) слой. Деформации изгиба подвержены кран-балки, консоли, несущие конструкции. F упр
Слайд 9
диаграмма растяжения На практике наибольшее распространение получил метод испытания материала на растяжение . В результате такого испытания вычерчивается диаграмма растяжения, анализ которой позволяет определить основные характеристики механических свойств материала По оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε, по оси ординат – механическое напряжение σ. На диаграмме растяжения представлен типичный пример для металлов (таких, как медь или мягкое железо).
Слайд 10
σ ε 0 ° А σ п ОА — область упругих деформаций, где выполняется закон Гука . Упругие деформации полностью исчезают после разгрузки испытуемого образца. Максимальное напряжение σ = σ п , при котором деформация еще остается упругой, называется пределом пропорциональности (точка А ). Приложение нагрузки
Слайд 11
σ ε 0 ° ° А В σ п σ упр Увеличение нагрузки Деформация становится нелинейной, но после снятия нагрузки формы и размеры тела практически восстанавливаются — участок АВ Максимальное напряжение σ = σ упр , при котором еще не возникают заметные остаточные деформации , называется пределом упругости. (точка В ).
Слайд 12
σ ε 0 ° ° ° А С В σ п σ упр σ т ВС — область пластических (остаточных) деформаций, образец после снятия нагрузки не восстанавливается. Увеличение нагрузки
Слайд 13
σ упр σ ε 0 ° ° ° ° А D С В σ п σ т ε ост Участок СД — деформация возрастает при неизменном напряжении (материал «течет») Напряжение σ = σ т , при котором материал «течет», называется пределом текучести. Увеличение нагрузки ε ост – остаточная деформация – изменение первоначальных размеров тела при снятии напряжения в области пластических деформаций.
Слайд 14
Пластичные материалы — материалы, у которых область текучести значительна, которые могут без разрушения выдержать большие деформации. (пластилин, медь, золото) Хрупкие материалы — материалы, у которых область текучести почти отсутствует, которые могут без разрушения выдержать лишь небольшие деформации. (стекло, кирпич, бетон, чугун)
Слайд 15
σ Увеличение нагрузки ε 0 ° ° ° ° ° А D С В Е σ п σ упр σ т σ пч ε ост Максимальное напряжение σ = σ пч , которое способен выдержать образец без разрушения , называется пределом прочности . (точка Е ). После т. Е деформация вплоть до разрыва происходит при все меньшем напряжении.
Слайд 16
Запас прочности ( коэффициент безопасности) — это отношение предела пропорциональности данного материала к максимальному напряжению, которое будет испытывать деталь конструкции в работе.
Типы твердых тел
Зависимо от степени проявления тех или иных свойств, все твердые тела можно поделить на такие основные типы:
- Аморфные
- С кристаллической структурой
Огромное разнообразие твердых тел по сути можно рассматривать как бесконечное количество молекулярных связей. Без использования всего разнообразия твердых тел с различными свойствами и характеристиками невозможно было бы представить себе текущий уровень развития науки и техники. Множество приборов и серьезного научного оборудования созданы на основании знаний того, какими свойствами обладают твердые тела, например, огромное количество электронного оборудования использует полупроводники со своими уникальными свойствами и возможностями. Речь идет о магнитах, сверхпроводниках и прочих материалах, без которых было бы невозможным такое стремительное развитие науки.
Таким образом, твёрдые тела это один из важнейших предметов изучения физики и одно из важнейших предпосылок к перспективам развития науки. В частности, сегодня ученых интересуют свойства твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения, которые проявляются в результате взаимодействия частиц.
Коллективные свойства электронов дают возможность электропроводности тех или иных тел, тип коллективного колебания, возникающего при поглощении тепла, определяет степень теплоемкости. Определено, что тепловые свойства твердых тел разные: некоторым твердым телам более свойственно поглощение тепла и соответственного нагревания, а некоторым – меньше. На основании получаемых данных рассматриваются варианты, при которых управление свойствами твердых тел используется в полезных практических и научных целях.
Свойства кристаллических твердых тел предполагают наличие кристаллической решетки. В этих телах частицы имеют четкую структуру, четкую периодичность и порядок размещения структурных единиц и составляющих элементов всей конструкции. Свойства твердого вещества аморфного типа – совершенно иные. Они представляют собой огромное количество хаотичного скопления атомов.
Еще одной отличительной чертой кристаллического тела является анизотропность. Данная характеристика твердых тел-кристаллов предполагает зависимость свойств тела от направления внутри кристалла.
Кристаллическая структура присуща всем металлам, именно поэтому они – лучшие материалы для строительства. Однако важно обратить внимание на то, что анизотропность не проявляется постоянно. В обычном состоянии эта характеристика никак не проявляется у металлов. Оказывается, в некоторых случаях вещество может пребывать в аморфном и кристаллическом состоянии одновременно.
Мир науки
Мы убедились, что вещество переходит в твердое состояние тогда
, когда средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул существенно меньше глубины потенциальной ямы. В том же параграфе мы упоминали, что твердые вещества могут быть кристаллическими или аморфными. Здесь мы рассмотрим только кристаллические вещества. Когда мы говорим, что положения атомов в кристалле упорядочены, мы имеем ввиду, что определенным образом расположены точки равновесия, центры, около которых происходит хаотическое колебание атомов. Эти точки называются узлами кристаллической решетки. Если ближайшие друг к другу узлы решетки мысленно соединить отрезками прямых, получим геометрическое тело, называемое элементарной ячейкой кристалла. Их формы довольно разнообразны, но они всегда имеют точки, оси и плоскости симметрии. Кристалл, собственно говоря, и состоит, из периодически повторяющихся элементарных ячеек. Нам не часто доводится увидеть правильно ограненный кристалл, поэтому создается впечатление, что большинство твердых веществ не кристаллы. Это неверно, кристаллы встречаются как в природных, так и в искусственно полученных веществах гораздо чаще, чем аморфные вещества. Более того, кристаллы никогда самопроизвольно не переходят в аморфное состояние, обратный же переход встречается довольно часто. Аморфное состояние, в отличие от кристаллического, неустойчиво. Редко мы встречаем не просто кристаллы, а монокристаллы, тела, представляющие собой один достаточно большой кристалл. Чаще всего кристаллические тела, в том числе и металлы, представляют собой поликристаллы, вещества, состоящие из множества мелких, часто микроскопических хаотически ориентированных кристаллов. Термин «микроскопический» в данном случае предполагает макроскопическое тело, но такое маленькое, что его видно только в микроскоп. Монокристаллы анизотропны, т. е, обладают разными свойствами в разных направлениях. Это касается любых свойств — механических, тепловых, электрических, оптических. Представим себе, что мы пытаемся сжать кубический кристалл один раз вдоль ребра куба, а другой — вдоль диагонали. Уже из того простого факта, что расстояния между атомами вдоль каждой из этих прямых различны, очевидно, что при одном и том же усилии результаты будут разными. Все, что мы рассмотрим дальше, в принципе относится и к монокристаллам, и к поликристаллам, хотя мы не будем в наших рассуждениях учитывать поликристалличность. Надо только иметь ввиду, что в поликристаллах картина всех рассматриваемых явлений усложняется. Нетрудно объяснить, почему атом или ион, находящийся внутри кристалла, колеблется около некоторого положения равновесия. Трудно объяснить, почему кристалл вообще существует. В узлах кристаллической решетки металла расположены, точнее, колеблются положительные ионы, а электроны, оторвавшиеся от атомов коллективизированы, принадлежат всем атомам, всему кристаллу. С точки зрения классической физики такая система просто не сможет существовать, потому что система свободных электрических зарядов в отсутствие внешних сил не может находиться в равновесии. Но существует! Объяснение этому дает квантовая механика.
Свойства твердых веществ аморфного типа
Для тел аморфного типа свойственна изотропность, которая предполагает равные показатели по всем направлениям. Приведем в пример стекло, леденцы. При достаточных внешних воздействиях эти тела приобретут другую форму и другие признаки.
К основным свойствам аморфных тел относятся:
- Упругость
- Текучесть
Упругие свойства твердых тел проявляются во всех твердых телах, а текучесть – это признак жидкости.
Такая характеристика твердых тел как упругость проявляется при кратковременных силовых воздействиях. Стоит же применить больше силы, и они могут расколоться на частицы. При интенсивном же и длительном взаимодействии твердые тела могут проявлять текучесть.
Особые свойства твердых тел
- Анизотропия – одно из свойств твердого вещества, которое заключается в зависимости физических свойств от направления в кристалле.
- Изотропия – отсутствие зависимости свойства тела от направления
- Полиформизм – особое свойство, которое заключается в способности твёрдых тел находиться в состоянии с различной кристаллической решёткой. Свойство присуще только твердому агрегатному состоянию веществ.
Молекулы и атомы тел типа аморфные поддаются колебаниям, однако незначительным по сравнению с жидкостью, поэтому по внутренним свойствам их можно приравнять к кристаллическим.
Их атомы не находятся в постоянном процессе перестраивания из одного положения в другое, поэтому их состояние равновесия характеризуется как неменяющееся. Аморфные тела в состоянии низкой температуры отвечают свойствам твердых тел. При повышении температуры – меняются связи на молекулярном уровне, а тела начинают напоминать по своим свойствам жидкость.
Аморфные тела имеют одновременно схожесть и с кристаллическими, и с твердыми телами, и с жидкими. Из частицы находятся в определенном порядке, что позволяет создавать материалы, вещества, предметы с заданными и ожидаемыми свойствами. Управляемые свойства твердых тел физика рассматривает как одно из самых основных направлений практически ориентированного изучения того, какими общими свойствами обладают твердые тела и как этими свойствами управлять.
Механическое напряжение
1. Как вы уже знаете, в различных деталях машин и механизмов, частях сооружений под действием силы возникают деформации. При определённых деформациях может произойти разрушение конструкций. Поэтому возникает необходимость изучения механических свойств различных материалов и твёрдых тел. При этом необходимо прежде всего ответить на вопросы: как изменяется длина тела при действии на него различных сил, какую максимальную нагрузку может выдержать тело, не разрушаясь, при какой нагрузке тело теряет свои упругие свойства и т. п. Механические свойства тел и веществ изучают экспериментально. Рассмотрим некоторые свойства твёрдых тел и их физические характеристики.
Будем растягивать тело, например металлический стержень площадью поперечного сечения S, действуя на него силой F (рис. 120). При этом в стержне возникнет сила упругости и он будет находиться в состоянии напряжения. Такое состояние деформированного тела характеризуется величиной, называемой механическим напряжением.
| Механическим напряжением о называют физическую величину, равную отношению силы F, которая действует на тело, к площади его поперечного сечения S. |
За единицу механического напряжения в СИ принимают паскаль (Па)
.
- 1 Па= 1 Н/м2.
Пластичность и хрупкость
Есть ряд материалов, которые претерпевают деформацию при небольшом внешнем воздействии. Это свойство пластичности, которое отличает аморфные твердые тела.
Другая группа материалов – это материалы, способные разрушиться при незначительном воздействии. Это свойство хрупкости, оно на практике оказывается более востребованным, чем упругость и пластичность. Одним из наиболее хрупких материалов является фарфор. Нам известно, что будет с фарфоровым предметом, если уронить его с высоты.
Один и тот же материал условно способен приобретать упругость или пластичность зависимо от возникающих напряжений. У разных материалов свой предел прочности: при определенной нагрузке происходит разрыв материала. В таком случае говорят, что напряжение в этом момент достигло своего максимального значения. Эта величина зависит от материала и качества его обработки.
