IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему калитка зимой стучит?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Тема: Почему калитка зимой стучит?
Я живу в частном доме, и у нас есть забор, ворота и калитка. Именно с калиткой возникает проблема: летом она плотно закрывается, а зимой язычок в замке не доходит до столба, поэтому наша калитка плотно не закрывается и во время даже небольшого ветра открывается и закрывается, создавая стук. Я спросил папу: «Почему так происходит?». «Это железо играет.»- ответил мне папа. Я заинтересовался, как это железо может играть?
Я провел исследование, целью которого было
-изучение свойств твердых тел при изменении температуры и исследование области применения этих свойств.
Для достижения данной цели поставили следующие задачи:
1) изучить литературу и другие источники информации по проблеме исследования;
2) опытным путем исследовать и доказать, что твердые тела имеют свойство расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении;
3) рассмотреть примеры применения свойства расширения и сжатия твердых тел в жизни.
Актуальность: свойство расширения и сжатия твердых тел имеет широкое применение в хозяйственной деятельности человека.
Гипотеза: при конструировании и установке металлической калитки мастер не учел свойство расширения и сжатия твердых тел.
Объект исследования: расширение и сжатие твердых тел.
Предмет исследования: металлическая калитка.
Методы исследования:
поисковая работа (подумать самостоятельно, изучить литературу);
опытное исследование и наблюдение;
анализ полученной информации.
Тепловое расширение и сжатие тел.
Если вы наблюдательны, то, наверное, обратили внимание на такие факты. Электрические провода летом провисают намного сильнее, чем зимой, т. е. летом они длиннее. Если набрать полную бутылку холодной воды и поставить в теплое место, то со временем часть воды из бутылки выльется, так как во время нагревания вода расширяется. Воздушный шарик, вынесенный из комнаты на мороз, уменьшается в объеме.
Способность тел расширяться во время нагревания и сжиматься во время охлаждения играет очень важную роль в природе. Поверхность Земли прогревается неравномерно. В результате воздух вблизи Земли также расширяется неравномерно, и образуется ветер, предопределяющий изменение погоды. Неравномерное прогревание воды в морях и океанах приводит к возникновению течений, которые существенно влияют на климат. Резкие колебания температуры в горных районах вызывают расширение и сжатие горных пород. А поскольку степень расширения зависит от вида породы, то расширения и сжатия происходят неравномерно, и в результате образуются трещины, которые приводят к разрушению этих пород.
Тепловое расширение приходится принимать во внимание при строительстве мостов и линий электропередач, прокладывании труб отопления, укладке железнодорожных рельсов, изготовлении железобетонных конструкций и во многих других случаях.
Явление теплового расширения широко используется в технике и быту. Тепловое расширение воздуха помогает равномерно прогреть квартиру, охладить продукты в холодильнике, проветрить комнату
Почему при нагревании большинство твёрдых тел расширяются?
Все тела состоят из частиц (атомы и молекулы). Ученые установили, что между частицами есть промежутки. В твердых телах эти промежутки совсем маленькие, в жидких побольше, в газах еще больше. В любом теле все частицы постоянно движутся.
В чем же причина увеличения объема тел во время нагревания, ведь количество частиц с увеличением температуры не изменяется?
Ученые объясняют тепловое расширение тел тем, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения частиц (атомов и молекул). В результате увеличивается среднее расстояние между ними. Соответственно, увеличивается объем тела. И наоборот, чем ниже температура вещества, тем меньше межмолекулярные промежутки.
Опыты 1 и 2, иллюстрирующие тепловое расширение твердых тел.
Вследствие изменения температуры изменяются и линейные размеры твердых тел. Телеграфные провода в жаркую погоду провисают заметно больше, чем во время зимних морозов. Когда балалайку выносят из теплого помещения на мороз, ее стальные струны становятся более натянутыми и звучание меняется. Выясним, как изменяются линейные размеры твердого тела вследствие изменения температуры.
Опыты 3 и 4, иллюстрирующие изменение линейных размеров твердых тел вследствие изменения температуры.
1.3. Примеры применения свойства расширения и сжатия твердых тел в жизни.
При тепловом расширении твердых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения учитывается фактор теплового расширения.
Провода линий электропередачи провисают, чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались. (Приложение 1, рисунок 1)
Рельсы на стыках имеют зазор (Приложение 1, рисунок 2). Зазор между рельсами делается для исключения искривления рельсов в летнее время. При нагревании рельсы удлиняются и, при отсутствии зазора, искривятся. Зазор по величине выбирается также, с учётом зимнего охлаждения, не очень большим.
Чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций. Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом (Приложение 1, рисунок 3)
Суточные колебания температуры приводят к неравномерному нагреву асфальта. А из-за этого возникают внутренние напряжения (как стакане с кипятком), которые приводят к разрушению (Приложение 1, рисунок 4). Поэтому между плитами бетонного шоссе делают зазоры.
С тепловым расширением и сжатием тел мы сталкиваемся и в быту. Приведем некоторые примеры и дадим полезные советы.
Часто причинами порчи зубов становится очень горячая либо очень холодная пища, особенно если они чередуются сразу друг за другом. Это объясняется тем, что основное вещество зуба — дентин — и покрывающая зуб эмаль при одном и том же изменении температуры расширяются неодинаково, в результате эмаль трескается.
Иногда в стеклянном флаконе притертая пробка так туго сидит, что ее не вытащишь. Очень большое усилие применить опасно — можно отломить горлышко и порезать руки. Поэтому прибегают к испытанному способу: к горлышку подносят горящую спичку, а флакон поворачивают, чтобы горлышко равномерно прогрелось. Пламени одной спички достаточно, чтобы стекло горлышка от нагревания расширилось, а пробка, не успевшая нагреться, легко вынулась ( Приложение 1, рисунок 5).
Как разъединить два стакана, вставленные один в другой? Вчера их вымыли горячей водой да так и оставили. И они «схватились» так, что скорее разобьются, чем разделятся. Налейте в верхний стакан холодной воды, а второй опустите в миску с горячей водой (Приложение 1, рисунок 6). Несколько мгновений — и жестом фокусника вы их разделите.
Как откручивать старые и прикипевшие гайки и болты? Шляпку заржавевшего винта, который никак не поддается, нагрейте паяльником (выполняется только взрослыми). Дайте винту остыть и повторите попытку. От резкого расширения, а затем сжатия частицы ржавчины и других посторонних веществ на поверхности резьбы должны отделиться.
2. Практическая часть.
Опыт №1 с монетой (Приложение 2, рисунки 1, 2, 3)
В дощечку забить два гвоздя. Расстояние между гвоздями должно равняться диаметру монеты. Монета свободно проходит между гвоздями. Нагреем монету и вновь пропустим между гвоздей, монета не проходит.
Вывод: наблюдается расширение монетки при ее нагревании.
Опыт № 2 со стальным шариком (Приложение 2, рисунки 4, 5, 6)
Стальной шарик , свободно проходящий через кольцо, после нагревания расширяется и застревает в кольце. После охлаждения шарик вновь свободно проходит через кольцо.
Вывод: размеры твердого тела при нагревании увеличиваются, а при охлаждении — уменьшаются.
Опыт № 3 «Удлинение стальной спицы» (Приложение 2, рисунки 7, 8)
Установить две одинаковые стопки книг на расстоянии примерно 25 см. Положить на них стальную спицу и приклеить к верхней книге в левой стопке. На другой конец спицы прикрепить индикатор. Медленно нагреть спицу. При нагревании индикатор перемещается по спице.
Вывод: при нагревании длина спицы увеличилась.
Опыт № 4 «Тепловые весы» (Приложение 2, рисунки 9, 10)
Из стальной спицы и опоры сделать весы. На концы спицы навесить груз, и привести спицу в равновесие. Поставить под одно плечо этих весов зажженную свечу. Нагретое плечо опустилось! Убери свечу — и через некоторое время равновесие восстановится. В чем здесь дело? Неужели одна сторона спицы от нагревания стала тяжелее? Нет, конечно. Просто она стала длиннее, и груз «отъехал» дальше от точки опоры. Поэтому она и перетянула. А когда спица остыла, она снова укоротилась, и все стало по-прежнему.
Вывод: вследствие изменения температуры изменяются линейные размеры твердых тел.
Заключение.
В результате проведенной исследовательской работы мы установили, что твердые тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются.
Нашу калитку устанавливали летом, а значит от жары детали были расширены, зимой при охлаждении детали калитки сжимаются, в результате расстояние между ними увеличивается, и калитка перестает плотно закрываться. Моя гипотеза о том, что при конструировании и установке металлической калитки мастер не учел свойство расширения и сжатия твердых тел, подтвердилась.
4. Список литературы
1.Перышкин, А.В. Физика. 7 класс. 5-е изд.: учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Дрофа, 2016. – 221 с.
2. Плешаков, А.А., Новицкая, М.Ю. Окружающий мир. Часть1. 3 класс. М.: Просвещение, 2013 г.-143 с.
3. Науки с Буки, Французские опыты, Физика, инструкция
4. Классная физика http://class-fizika.ru/op28-12.html
5. http://www.tepka.ru/fizika_6/19.html
П риложение 1
Рисунок 1 Рисунок 2
Рисунок 3 Рисунок 4
Рисунок 5 Рисунок 6
Приложение 2
Рисунок 1 Рисунок 2 Рисунок 3
Рисунок 4 Рисунок 5 Рисунок 6
Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9
Рисунок 10, 11