Четверг, 14.12.2017, 05:33
Вы вошли как Гость | Группа "Гости"Приветствую Вас, Гость
Главная » Файлы » Предметы точных дисциплин » Физика

Металлы
[ · Скачать удаленно (12.16 Mb) ] 20.01.2012, 09:52
Интегрированный урок «Металлы»

Дисциплины: физика, химия, материаловедение
Возрастной состав: 1-2 курсы СПО, НПО
Бессонова А.В. – преподаватель физики, высшая квалификационная категория, почетный работник образования
Казанцева О.Н. - преподаватель химии, первая квалификационная категория
Власова Л.И. - преподаватель спецдисциплин, первая квалификационная категория
Цель урока: обобщить и систематизировать представление студентов о металлах, показывая их свойства используя данные различных наук; продолжить формирование познавательного интереса к изучаемым дисциплинам, являющимися основой будущей профессии; воспитывать гордость за выбранную профессию, продолжить формирование уважения к людям труда и трудовой деятельности.
Тип урока: интегрированный.
Оснащение урока: мензурка с водой, камень на нитке, весы с разновесами, таблицы, схемы, «черный» ящик, коллекция металлов и сплавов, проволоки из стали и алюминия, металлическая лента, резцы, алюминиевая пластина и пластина из твердого сплава, компьютер.
Межпредметная связь: физика, химия, материаловедение, производственное обучение.
Приёмы и методы обучения: эвристическая беседа, опыт, практические задания.
Структура урока
1. Организационный момент.
Представление преподавателей, сообщение темы и цели урока
2. Подготовка студентов к изучению нового материала (мотивация урока).

Конспект урока
Мир, используемых человеком материалов разнообразен. Сегодня на уроке о строении, свойствах и применении металлов и сплавов поговорим с позиций: физики, химии, материаловедения.
Металл – хлеб промышленности, так говорили когда-то в советские времена, и, несмотря на то, что времена изменились, и столь пафосные выражения уже не в моде, слова эти справедливы и поныне.
Логично прозвучат вопросы – Кому? Для чего? Зачем? Постараемся ответить на эти вопросы.
Важной характеристикой любого вещества является плотность.
И когда геологи, например, находят какое вещество и по внешнему виду не могут определить, что это такое - определяют его плотность. Попробуем и мы определить плотность предложенного вам вещества и с помощью таблицы плотности определить, что это за вещество.
Проделайте опыт по следующей схеме:
1. Определить массу образца, взвешивая его на весах
2. Используя мензурку с водой определить объем образца
3. По формуле ρ = m/v найти плотность и используя таблицу плотности, определить, что это за вещество
И так, что же за вещество было вам предложен? Алюминий.
Металлы в химии.
Вся история человечества связана с развитием материалов. Именно материалы дали название целым эпохам: каменный, бронзовый, железный.
Большинство известных человеку химических элементов 92 из 114 относятся к металлам.
Количественная доминанта металлов предопределила использование металлов и сплавов в различных направлениях (энергетике, строительстве, машиностроении), для различных профессий и в быту.
Примеры применения различных металлов:
1.Чистая медь используется в электротехнической промышленности для изготовления электрических проводов, кабелей и в теплообменных аппаратах. Она входит в состав различных сплавов. Широко применяются соединения меди. Например, кристаллогидрат сульфата меди (медный купорос) необходим для борьбы с вредителями и болезнями растений.
2. Так как на цинк при обычных условиях не действуют ни кислород воздуха, ни вода, то основная масса цинка расходуется на защитные покрытия железных листов и стальных изделий. Цинк применяют для получения технически важных сплавов: с медью (латуни), алюминием и никелем, а также для производства цинково-угольных гальванических элементов, которые используют в батареях разного назначения.
3. Титан и его сплавы в связи с их легкостью, прочностью, термической и коррозийной стойкостью применяют для изготовления деталей самолетов, космических кораблей, ракет, подводных лодок, трубопроводов, различных аппаратов для химической промышленности.
Титан не действует на живые ткани организмов, поэтому он применяется в
хирургии для скрепления костей при переломах.
4.Чистое железо способно быстро намагничиваться и размагничиваться, поэтому его применяют для изготовления трансформаторов, электромоторов и мембран микрофонов. Основная масса железа на практике используется в виде сплавов - чугуна и стали.
5. Никель применяется для покрытия поверхности других металлов.
В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева металлы занимают положение относительно диагонали бор-астат; то слева внизу — элементы — металлы.
Все многообразие металлов простых веществ и сложных металлосодержащих веществ, подчеркивает важнейшую роль неорганической и органической «жизни» Земли.
Металлы присутствуют в хлорофилле растений и в гемоглобине крови животных, что отражает единство химической организации живой природы – единство естествознания.
Материаловедение
Агрегатное состояние металлов: газообразное, жидкое, твердое, холодная плазма
В повседневной жизни мы встречаемся с металлами в твердом состоянии.
Все свойства металлов обусловлены строением их атомов, металлической, химической связью и металлической кристаллической решеткой.
Металлы и сплавы – твердые кристаллические тела. Кристалл сложное сооружение «кирпичиками», которого служат атомы. А расположены атомы не случайно, а по законам построения кристаллической решетки. То есть в твердых телах порядок расположения атомов строго определенный, закономерный, силы взаимодействия уравновешены, тело сохраняет свою форму.
Для большинства металлов наиболее характерны три типа кристаллических решеток:
- объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
- гранецентрированная кубическая (ГЦК);
- гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Полиморфизм (аллотропия) металлов.
Однако для некоторых металлов характерно существование двух и даже трех типов кристаллических решеток. Примерно 20 металлов (железо, олово, кобальт, титан, марганец и др.) при изменении температуры меняют свою кристаллическую решетку.
Факт существования различных кристаллических решеток в разных температурных областях называется полиморфизмом или аллотропией. Самый распространенный в технике металл железо, имеет две модификации - Fe α , Fe γ

Fe α Fe γ
ОЦК ГЦК

ниже 911о С в интервале 911-1392о С

магнитное немагнитное
плотность на 3 % больше, чем Fe α

Явление полиморфизма в железе было открыто Д.К.Черновым в 1868г.
При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки – происходит перекристаллизация. При температурах ниже 911о С устойчиво Fe α , в интервале температур 911-1392о С устойчиво Fe γ. При нагреве выше 911о С атомы ОЦК решетки перестраиваются, образуя ГЦК решетку. При переходе из одной формы в другую меняются и свойства металла, плотность Feγ на 3 % больше плотности Feα , а удельный вес соответственно меньше. На явлении полиморфизма основана термическая обработка материалов.
Из истории
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Роберта Скотта (18.01.1912г.). Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называется оловянной чумой.
Металлургия – это наука о методах и процессах производства металлов из руд и металлосодержащих продуктов, о получении сплавов и обработке металлов.
Современная металлургия получает более 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе. В зависимости от способов получения различают пиро-, гидро- и электрометаллургию.
Пирометаллургия занимает ведущее место в металлургии. Она охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах.
Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей.
Электрометаллургия охватывает способы получения металлов с помощью электролиза.

Механические свойства металлов.
При конструировании машин конструктор в первую очередь руководствуется механическими свойствами металлов, т.е. способностями металлов по - разному сопротивляться механическим нагрузкам.
Химический состав, структура металлов определяют все их свойства. Вот почему одни детали делают из стали, другие – из чугуна, третьи - из алюминия или из бронзы.
Попробуем ответить на вопрос: «Какие механические свойства металлов мы хорошо знаем, сталкиваясь с ними почти каждый день?»
Ответы студентов.
Твердость.
Одна деталь легко царапает другую, а наоборот не получается, и мы говорим, что одна деталь тверже другой. Резец царапает стекло, стекло алюминиевую пластину и т.д. так мы можем приблизительно установить твердость многих металлов (демонстрируют на образцах).
Однако для конструкторских расчетов это не дает необходимой точности.
Испытание на твердость проводят на специальных приборах, вдавливая в образец более твердое тело (индентор) с определенной нагрузкой. Существует несколько методов измерения твердости:
- по методу Бринеллю, в качестве индентора используется стальной закаленный шарик;
- по методу Роквелла, для мягких металлов - стальной закаленный шарик, для твердых материалов – алмазный конус;
- по Виккерсу, вдавливается алмазная пирамида.

Прочность металлов, упругость, пластичность.
Выполним практическое задание.
Возьмем две проволоки из разных материалов, одну стальная, другую из алюминия, к которым будут приложены одинаковые нагрузки. Подвергнем обе проволоки деформации изгиба – согнем. Пронаблюдайте, что произойдет с проволоками после снятия нагрузки?
Ответ студентов.
Стальная проволока после снятия нагрузки - разогнулась, т.е. восстановила свою форму и размер, а алюминиевая – нет.
На основании эксперимента мы можем утверждать, что стальная проволока более упругая и более прочная, т.е. они имеют разный предел прочности.
Прочность еще одно свойство металлов, она характеризуется пределом прочности. Эта характеристика и ряд других определяются на разрывных машинах при испытаниях на растяжение.
При испытаниях на растяжение строится диаграмма в координатах «относительная деформация ε - напряжение σ ». При этом определяются характеристики: предел пропорциональности, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение.
Диаграмма растяжения.



Мы познакомились лишь с основными механическими свойствами металлов, которые необходимы конструктору и технологу. Им нужно знать, как поведет себя металл, из которого сделаны детали машин при работе.

Лампа накаливания
Выходит преподаватель с «черным» ящиком в руках и предлагает отгадать, что находится в ящике.
Загадка: «Она снаружи похожа на грушу, бездельничает днем, а ночью освещает дом».
Что это?
Ответ: «лампа накаливания».
История появления первой лампочки.
Путь развития искусственного освещения был долгим и сложным. С доисторических времен и до середины ХIХ века человек применял для освещения своего жилища лучину, свечи.
Первыми электрическими лампами были лампы накаливания, которые служат нам до сих пор. Их свет считается оптимальным для восприятия человеческим глазом. Но у них есть один существенный недостаток: приблизительно 95% их энергии преобразуется в тепло, и лишь 5% остается на долю света.
Американский изобретатель Томас Алва Эдисон совершенствовал лампу накаливания, которую изобрел П.Н.Яблочков – она называлась электрическая свеча. Именно с помощью свечей Яблочкова осуществлялось первоначально уличное освещение. Каждая свеча горела 1,5 часа. А.Н.Лодыгин предложил использовать в лампочках тугоплавкий металл - вольфрам. Для продолжения жизни ламп в колбы закачивают инертные газы.
Томас Эдисон разработал систему освещения, сконструировал патрон и цоколь с резьбой, предохранитель, электросчётчик.
Устройство современной лампочки накаливания:
1. Вольфрамовая спираль
2. Стеклянный баллон
3. Цоколь лампы
4. Основание цоколя
5. Пружинящий контакт
Современные лампы: светодиодные лампы, лампы дневного света, энергосберегающие лампы.
Лампочка - долгожитель
Сколько может работать электрическая лампочка? Без перерыва и замены? Год, два? 107 лет! Именно столько работает лампа, установленная в пожарном депо города Ливермора в штате Калифорния.
Лампочка из Ливермора впервые была установлена на свое рабочее место еще в 1901 году. Над миром катились войны, революции, мировые кризисы, а она все светила и светила. В настоящий момент ее можно увидеть на пожарной станции по адресу 4550 Ист-Авеню. Необычно долгий срок жизни позволил занять ей свое место в книге рекордов Гиннеса – как самой старой и работающей лампе в мире.
Вольфрам в машиностроении.
Вопрос: какова температура плавления вольфрама?
Ответ: 3420оС
Имея высокую температуру плавления вольфрам, нашел применение не только в электротехнике, но и производстве инструментальных сплавов. Для обработки высокопрочных сталей и труднообрабатываемых материалов применяют режущие инструменты изготовленные из быстрорежущих сталей (обозначаются буквой Р, применяются с 1902г.). Быстрорежущие стали – это высоколегированные стали и основным элементом, которых является вольфрам, его содержание в быстрорежущих сталях до 18%. Основная особенность - быстрорежущих сталей – теплостойкость.
Соединение вольфрама с углеродом – карбид вольфрама, является основным компонентом большинства твердых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии. Вольфрам в твердых сплавах определяет их физико-механические характеристики.
Твердые сплавы имеют высокую твердость, теплостойкость, они изготавливают в виде пластин, которые припаиваются к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез, бурового инструмента и штампов.
А теперь попробуем ответить на вопросы заданные в начале занятия.
«Кому? Зачем? Почему?»
(Ответы студентов.)
Заключительное слово.
Каждый из нас знает, что человек на 80% состоит из воды, но мало кто задумывается о том, что всевышние силы сделали так, что в состав нашего организма входят металлы, которые помогают нам жить.
Железо – кровь, натрий и калий – сердце и рефлексы, магний – мускулатура.
От всей души желаем, что Господь Бог не обделял ваш организм полезными металлами
Категория: Физика | Добавил: filialSGTU
Просмотров: 702 | Загрузок: 270 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]