Список літератури

1. Загальна фізика: Лабораторний практикум / За заг. ред. І.Т.Горбачука. - К., 1992.

Лабораторна робота № 3

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ЛІНІЙНОГО РОЗШИРЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ

Мета роботи: визначити коефіцієнт лінійного розширення для стального, алюмінієвого та скляного стержня.

Прилади та матеріали: прилад для визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл, досліджувані зразки.

Теоретичні відомості

Тепловим розширенням називається збільшення лінійних розмірів і об'єму тіл, що відбувається при підвищенні їхньої температури. Теплове розширення відіграє важливу роль у природі та практиці. Деталі різних конструкцій, машин і приладів при їх експлуатації працюють у режимах змінних температур. Тому з'являється необхідність теоретичного розрахунку можливих змін розмірів тіл і механічних деформацій, які в них можуть виникати при варіації температури.

На основі молекулярно-кінетичної теорії будови речовини теплове розширення пояснюється змінами середніх відстаней між частинками (атомами, молекулами, іонами) при зміні температури. Сили взаємодії між цими частинками мають переважно електромагнітну природу. Між частинками речовини існують як сили притягання, так і сили відштовхування, зумовлені наявністю і рухом зарядів, які входять до складу цих частинок. Результуюча потенціальна енергія П взаємодії двох часток дорівнює алгебраїчній сумі потенціальних енергій, притягання і відштовхування :

де a і b, m і n - константи, які відображають властивості будови і взаємодії частинок речовини; r - відстань між частинками. Характерний графік залежності потенціальної енергії П(r) взаємодії двох молекул від відстані r між ними показаний на рисунку 1. Відомо, що такий характер кривої пов'язаний з різною залежністю від відстані сил притягання і відштовхування між молекулами.

Рис.1

Рис.2

При абсолютному нулі температур тепловий рух відсутній і дві частинки знаходяться в положенні рівноваги на відстані , що відповідає мінімуму потенціальної енергії взаємодії. Із підвищенням температури частинки починають коливатися з усе зростаючою амплітудою. При температурі частинка відхиляється вліво до точки і вправо до точки . Внаслідок асиметричності потенціальної кривої середнє положення частинки переміститься вправо до величини . При температурі середнє положення частинки уже визначатиметься відстанню і т.д. Як видно з рис.1, . Таким чином, з підвищенням температури нові центри рівноваги, відносно яких частинки коливаються, віддаляються один від одного, тобто відстань між частинками збільшується. Це і є причиною теплового розширення тіл. Лінійне теплове розширення характерне для твердих тіл. Об'ємне теплове розширення відбувається як у твердих тілах, так і в рідинах при їх нагріванні.

Лінійне теплове розширення характеризується коефіцієнтом лінійного розширення (середнім коефіцієнтом лінійного розширення) , в даному інтервалі температур. Якщо L - початкова довжина тіла при температурі T, a - збільшення довжини тіла при нагріванні його на градусів, то характеризує відносне видовження , що відбувається при нагріванні його на один градус:

(1)

Довжина L тіла при температурі Т визначається формулою:

(2)

де - початкова температура.

Для більшості твердих тіл град^-1 і можна вважати, що практично не залежить від температури (для умов цієї лабораторної роботи).