ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 7 класс · § 12
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 12. Тепловое расширение

Почему между частями мостов оставляют зазоры?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему между частями мостов оставляют зазоры?

Наблюдаем и объясняем

Малое удлинение — заметный эффект

Меняй материал, исходную длину и нагрев. Увидишь реальное расчётное удлинение и его увеличенный рисунок.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

2 м
50 °C

Дополнительная линейная модель Δl = αl₀ΔT. Приняты приблизительные α: 12, 23 и 9 × 10⁻⁶ 1/°C; у конкретных сплавов и стёкол значения различаются. Исходный участок условно укорочен, добавка показана в увеличенном масштабе.

01

Размер тела может меняться

Многие тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Для твёрдого стержня это означает изменение длины, для жидкости — изменение объёма.

Изменение размеров обычно невелико, но в длинных конструкциях становится важным. Поэтому инженер учитывает ожидаемые температуры и свойства материала.

Нагревание

Меняется тепловое движение

Структура вещества

Обычно растут средние расстояния

Размер образца

Увеличивается

Тепловое расширение — изменение размеров тела при изменении температуры.

При нагревании увеличиваются сами атомы как воздушные шарики?

Основную роль играет изменение средних расстояний и расположения частиц, а не такое увеличение самих атомов.

02

Материалы расширяются неодинаково

При одинаковом изменении температуры равные по длине стержни разных материалов обычно удлиняются по-разному. Для одного материала увеличение исходной длины увеличивает и абсолютное удлинение.

В модели сравниваются сталь, алюминий и стекло. Удлинения изображены увеличенными, иначе при размерах экранной схемы их было бы трудно заметить.

Материалы расширяются неодинаково: сравнение
Что сравниваемЧто сохраняемЧто наблюдаем
МатериалыДлина и нагрев одинаковыРазные удлинения
ДлиныМатериал и нагрев одинаковыДлинный стержень удлиняется больше
НагревМатериал и длина одинаковыБольший нагрев даёт большее удлинение

Расширение зависит от материала, исходного размера и изменения температуры.

Почему нельзя судить о свойстве материала по двум стержням разной длины?

Различие удлинений может быть вызвано и длиной. Для честного сравнения её сохраняют одинаковой.

Температурный шов моста

Шов оставляет конструкции пространство для изменения размеров.

Ramsch · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

Жидкостный термометр

Тепловое расширение жидкости используется в термометре.

Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.

03

Расширение в технике

Деформационные зазоры позволяют деталям изменять размеры, не создавая чрезмерного напряжения. Если нагретую деталь жёстко удерживать, вместо свободного удлинения могут возникнуть значительные силы.

В жидкостном термометре используют заметное перемещение столбика при изменении объёма жидкости. Узкая трубка делает небольшое изменение объёма хорошо видимым.

Мост

Зазор допускает перемещение

Трубопровод

Компенсатор уменьшает напряжение

Термометр

Расширение жидкости двигает столбик

Тепловое расширение используют в приборах и учитывают при строительстве.

Почему термометр имеет узкую капиллярную трубку?

Малому изменению объёма соответствует заметное перемещение жидкости вдоль узкой трубки.

04

Вода — важное исключение

Правило «при нагревании объём всегда растёт» имеет исключения. При обычном давлении вода при нагревании от 0 до примерно 4 °C сжимается и достигает наибольшей плотности около 4 °C.

При замерзании обычная вода увеличивает объём. Это важно для труб, закрытых ёмкостей и природных водоёмов. Общую закономерность нужно применять с учётом конкретного вещества.

Вода — важное исключение: сравнение
ПроцессИзменение
Нагрев воды от 0 до 4 °CОбъём уменьшается
Нагрев воды выше 4 °CОбъём обычно растёт
Замерзание водыОбъём возрастает

Особые свойства воды показывают, что правило расширения нельзя применять безусловно.

Почему заполненная водой ёмкость может разрушиться при замерзании?

Образующийся лёд занимает больший объём и при ограничении расширения может создавать большое давление.

Соберём главное

Шесть выводов

01Тепловое расширение — изменение размеров тела при изменении температуры.
02Расширение зависит от материала, исходного размера и изменения температуры.
03Тепловое расширение используют в приборах и учитывают при строительстве.
04Особые свойства воды показывают, что правило расширения нельзя применять безусловно.
05В схеме расширение часто специально преувеличивают и обязательно отмечают это.
06При запрете свободного расширения нагрев способен вызывать напряжения в конструкции.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. При обычном тепловом расширении растут главным образом…
2. Зачем оставляют зазоры в конструкциях?
3. В закрытом теле при нагревании без потерь вещества масса…
4. При увеличении объёма той же массы плотность…
5. Разные материалы расширяются одинаково?
6. Линейная модель теплового расширения применима…
7. При охлаждении от 4 до 0 °C вода при обычном давлении…
8. Почему нельзя плотно заполнять ёмкость жидкостью перед сильным нагревом?
9. Для одной проволоки при малом удвоении нагрева линейная модель даёт…
10. Модель рисует расширение преувеличенным. Это значит…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 7 класс», § 12. Тема и содержание сверены с файлом «7 класс. Физика — § 12. Тепловое.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.

↑

Загрузка прогресса…