Лабораторная работа № 26 «Наблюдение изменения длины тела при нагревании и охлаждении»

Определения и обозначения

Длина тела — расстояние между его крайними точками, которое можно сравнить до и после опыта. Например, у стержня это расстояние от одного конца до другого. Понятие нужно, чтобы определить, стало тело длиннее, короче или почти не изменилось.

Нагревание — повышение температуры тела под действием источника тепла. Источником может быть, например, нагретый воздух или специальный прибор. Это слово обозначает действие, после которого мы проверяем, меняется ли длина тела.

Охлаждение — понижение температуры тела при удалении от источника тепла или передаче тепла окружающей среде. Тело при этом не обязательно становится холодным: достаточно, чтобы его температура уменьшалась. Сравнение длины до и после охлаждения помогает увидеть обратное действие температуры.

Тепловое расширение и сжатие — увеличение длины тела при нагревании и уменьшение длины при охлаждении. Это названия изменений, которые можно наблюдать в опыте. Они помогают связать перемещение указателя с температурой, а не принять его за случайное движение установки.

Как это устроено

В лабораторной установке тело закрепляют одним концом, а другой конец может немного перемещаться. Иногда за ним наблюдают непосредственно, а иногда к нему присоединён указатель, движение которого видно на шкале. Один конец остаётся неподвижным, поэтому перемещение другого показывает, изменилась ли длина тела. Если бы стержень просто лежал свободно, его можно было бы случайно сдвинуть целиком и ошибочно принять сдвиг за удлинение.

При нагревании частицы, из которых состоит тело, начинают двигаться интенсивнее. Они не превращаются в другие частицы, но сильнее колеблются и в среднем занимают немного больше места. Из-за этого увеличиваются расстояния между частицами, а вместе с ними — размеры тела. Поэтому свободный конец нагретого стержня сдвигается, хотя глазом удлинение самого стержня может быть почти незаметно.

При охлаждении частицы движутся менее интенсивно. Их средние расстояния становятся меньше, поэтому длина тела уменьшается. В установке это обычно проявляется обратным перемещением свободного конца или указателя. Так наблюдатель видит не движение отдельных частиц, которые невозможно разглядеть, а общий результат их поведения.

Сначала отмечают положение тела при комнатной температуре. Затем стержень нагревают и ждут, пока изменение станет заметным, после чего сравнивают новое положение с начальным. Далее дают телу остыть и снова сравнивают показания. Такая последовательность помогает отличить результат нагревания от результата охлаждения и понять, в какую сторону изменилась длина на каждом этапе.

Осторожность нужна потому, что горячая часть установки может обжечь, а источник тепла опасно приближать к лицу или рукам. Точность зависит и от того, насколько правильно закреплено тело и где находится указатель. Если изменить его положение или перепутать начальную отметку, сравнение будет ненадёжным. Поэтому опыт проводят в заданном порядке, не трогают нагретые детали и записывают именно наблюдения, а не догадки.

Изменение длины тела при нагревании и охлаждении

Сначала запиши исходное положение, затем для каждого действия отметь направление перемещения указателя и изменение длины. Не сравнивай только два соседних этапа: проверь также, близко ли положение после остывания к начальному. Если изменение совсем мало, укажи, что оно неразличимо или находится в пределах точности наблюдения.

Разбор задач

Задача 1. Определить по положению указателя, увеличилась или уменьшилась длина тела после его нагревания

Условие: до нагревания указатель находился у начальной отметки, а после нагревания переместился. По одному факту перемещения нельзя сразу решить, стало тело длиннее или короче: нужно знать устройство установки. Рассмотрим установку, в которой указатель движется вслед за свободным концом стержня. Сравним положение после нагревания с начальным.

1. Найди начальную отметку, сделанную до нагревания.
2. Определи, куда переместился указатель: к большей или меньшей отметке, либо в другую сторону по шкале.
3. Уточни, какое движение указателя соответствует движению свободного конца наружу и удлинению стержня.
4. Сопоставь направление перемещения с начальным положением и сделай качественный вывод, не приписывая изменению числовое значение, если его не измеряли.

Ответ: если указатель переместился в сторону, соответствующую движению конца стержня наружу, длина после нагревания увеличилась. Направление нужно сверить с устройством конкретной установки.

Задача 2. Провести наблюдение за металлическим стержнем при нагревании и охлаждении и записать результаты в таблицу

Условие: нужно проследить за стержнем сначала при нагревании, затем при охлаждении. Для честного сравнения важно сохранить исходное положение указателя и выполнять действия по порядку. В таблицу заносят не предположения, а то, что действительно удалось заметить. Если указатель почти не сдвинулся, это тоже наблюдение.

1. Убедись, что стержень закреплён, и запиши положение указателя при комнатной температуре.
2. Нагрей стержень безопасным способом, не касаясь горячих частей, и отметь направление перемещения указателя.
3. Дай стержню остыть, наблюдая за указателем, и запиши, вернулся ли он в обратную сторону.
4. Заполни строки таблицы для начального состояния, нагревания, охлаждения и возвращения к исходной температуре.
5. Сравни записи: при нагревании длина обычно увеличивается, а при охлаждении уменьшается.

Ответ: в таблице укажи исходное положение, движение указателя при нагревании и обратное движение при охлаждении. После остывания положение обычно близко к начальному.

Задача 3. Объяснить, почему после охлаждения стержень почти вернулся к первоначальной длине

Условие: после нагревания стержень стал длиннее, а после охлаждения его длина оказалась почти такой же, как в начале. Нужно объяснить наблюдение и сформулировать общий вывод о температуре. Слово «почти» важно: небольшое несовпадение может быть трудно различить при наблюдении. Оно не обязательно означает, что стержень совсем не сжался.

1. Вспомни, что при нагревании частицы движутся интенсивнее, и средние расстояния между ними увеличиваются.
2. При охлаждении движение частиц ослабевает, поэтому средние расстояния уменьшаются.
3. Если стержень охладился примерно до исходной температуры и не изменился необратимо, его длина приближается к первоначальной.
4. Сравни конечное положение указателя с начальным и учти, насколько точно его можно было заметить.

Ответ: при охлаждении стержень сжимается, поэтому его длина становится близкой к первоначальной. Опыт показывает: температура влияет на размеры тела, но заметность изменения зависит от установки и точности наблюдения.

Типичные ошибки

Сравнивать длину до нагревания с длиной сразу после начала опыта — значит проверять тело раньше, чем оно успело достаточно прогреться. Такую ошибку допускают из-за спешки. Дай установке время на изменение температуры и только потом сравни положение указателя с исходной отметкой.

Нельзя делать вывод лишь по тому, что указатель сдвинулся: нужно проверить направление и понять, что оно означает для данной установки. Разные расположения шкалы могут показывать удлинение в разных направлениях. Проверь, как указатель связан со свободным концом, и сопоставь результат с начальным положением.

Прикасаться к нагретым деталям или наклоняться лицом к источнику тепла опасно, даже если прибор не выглядит очень горячим. Так поступают, забыв о возможном ожоге или стараясь лучше рассмотреть опыт. Соблюдай правила безопасности, держись на расстоянии и выполняй действия только разрешённым способом.

Ожидать, что при охлаждении тело станет намного короче, — ошибка: изменение длины может быть очень небольшим. Его трудно заметить без указателя, и точность наблюдения ограничена. Сравнивай аккуратно и не делай вывод о большом изменении, если его не подтверждают показания; проверь, вернулся ли указатель примерно к исходной отметке.

Связь с другими темами

Для опыта нужны знания о температуре, нагревании, охлаждении и передаче тепла от более тёплого тела к окружающей среде. Нужно также уметь сравнивать длину и положение указателя. Тепловое расширение учитывают в жизни: при устройстве рельсов, мостов, трубопроводов и проводов оставляют возможность для изменения размеров. Позже это наблюдение поможет изучать состояния вещества, свойства материалов и измерение температуры.

Что запомнить

• При нагревании большинство твёрдых тел расширяется.
• При охлаждении большинство твёрдых тел сжимается.
• Изменение длины можно обнаружить, сравнив положение тела или указателя.
• После прекращения нагревания тело начинает охлаждаться.
• При возвращении к исходной температуре длина тела обычно близка к первоначальной.
• Нагретые приборы нельзя трогать руками.
• Вывод опыта должен опираться на наблюдения.