Список материалов для курса STEM: Металлический фокус

Справочная информация

Практические эксперименты важны в STEM-образовании, особенно в физике, где абстрактные идеи, такие как сила, проводимость и тепловые свойства, конкретизируются. Для эффективного изучения механики, электромагнетизма и оптики неоценимо наличие реальных материалов, которые их отображают. Одной из групп материалов, имеющих разнообразное применение, являются металлические образцы, такие как медь, алюминий и титановые сплавы. С их помощью можно продемонстрировать изменение плотности, прочности, электропроводности и теплопроводности, соотнеся теорию с практикой.

Обзор темы

Поскольку в STEM-образовании доминирует физика, студенты должны иметь хорошую информацию о свойствах материалов. Используя образцы металлов, учащиеся смогут:

-Провестисравнение плотностей, чтобы предсказать, как материалы будут вести себя в условиях веса и объема.

-Провестииспытания на механическую прочность и изучить напряжение-деформацию в металлах.

-Провести экспериментс электропроводностью и выяснить, почему медные провода используются в электронике.

-Испытайтетеплопроводность, наглядно демонстрируя, почему алюминий используется в теплоотводах.

Ассоциируя эти характеристики с повседневными сферами применения - аэрокосмической, электронной и строительной - студенты смогут увидеть актуальность фундаментальных принципов физики.

Необходимые материалы

Дополнительно: зажимы, изоляционные коврики и защитные перчатки для работы с металлическими образцами во время экспериментов. Более сложные материалы можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Пошаговые инструкции

1.Измерение плотности

Чтобы определить плотность металлических образцов и сравнить ее с теоретическими значениями, вам понадобятся цифровые весы, штангенциркуль или линейка, градуированный цилиндр (для количественного измерения вытеснения воды) и образцы металлов (алюминия, меди и Ti-6Al-4V). Плотность - это отношение массы к объему.

Шаг 1: Измерение массы

Включите цифровые весы и обнулите их.

Поместите каждый образец металла на весы и определите его массу ((m)) в граммах (g).

Для точности измерьте массу дважды.

Шаг 2: Измерение объема

Для образцов правильной формы (кубы, цилиндры):

-Запишитеизмерения (длина, ширина, высота или диаметр) с помощью штангенциркуля или линейки.

-Применитесоответствующую геометрическую формулу, чтобы найти объем (V).

Для образцов неправильной формы

-Наберитеизвестное количество воды в градуированный цилиндр.

-Погрузитеобразец вводуполностью и считайте изменение объема.

Разница-это объем образца в кубических сантиметрах (см³).

Шаг 3: Найдите плотность

Используйте формулу:

ρ= m/V

где ρ - плотность в г/см³, m - масса в граммах, а V - объем в см³.

Рассчитайте для каждого образца металла.

Шаг 4: Сравните с теоретическими значениями

Сравните измеренные плотности с типичными значениями:

-Медь: ~8,96 г/см³

-Алюминий: ~2,70 г/см³

-Титановый сплав (Ti-6Al-4V): ~4,43 г/см³

Объясните любые расхождения и возможные источники ошибок (точность измерения, пузырьки воздуха и т.д.).

2.Демонстрация механической прочности

Чтобы изучить механическую прочность и упругость, используйте простую систему рычагов или пружин, грузы и линейку или циферблатный манометр для измерения деформации. Этот эксперимент демонстрирует, как материалы реагируют на добавление напряжения.

Шаг 1: Установите оборудование

Сконструируйте простую систему рычагов или используйте балку, поддерживаемую с двух концов.

Поместите металлический образец в область приложения силы и прочно закрепите его.

Шаг 2: Постепенное увеличение силы

Постепенно добавляйте вес или оказывайте давление на среднюю точку балки.

Наблюдайте и записывайте каждый раз, когда появляется видимый изгиб или деформация.

Шаг 3: Запись данных

Измерьте силу (F) и соответствующий прогиб (ΔL) на каждом этапе.

Повторите испытание для каждого из металлических образцов.

Шаг 4: Наблюдение за результатами

Прокомментируйте зависимость между напряжением и деформацией и сравните жесткость через модуль Юнга (E):

-Медь: ~110-130 ГПа

-Алюминий: ~69 ГПа

-Ti-6Al-4V: ~110 ГПа

Объясните, почему некоторые материалы легче гнутся, а некоторые сопротивляются деформации.

Дальнейшее чтение: 10 самых прочных материалов, известных человеку

3. Тест на электропроводность

Чтобы провести тест на электропроводность и сравнение образцов, вам понадобится источник постоянного тока, мультиметр (мультиметры), провода с зажимами "крокодил" и образцы металла. Электропроводность определяется на основе измеренных напряжения, тока и геометрии образца.

Шаг 1: Подключение цепи

-Создайте последовательную цепь: поместите источник питания, металлический образец и мультиметр в один контур.

-Чтобы измерить ток (I), мультиметр должен быть подключен последовательно.

-Чтобы измерить напряжение (V), поместите щупы параллельно друг другу через образец.

Если в наличии имеется только один мультиметр, измеряйте напряжение и ток отдельно.

Шаг 2: Измерение тока и напряжения

-Установите мультиметр в нужный режим (постоянное напряжение или ток).

-Измерьте ток через цепь и падение напряжения на образце.

Шаг 3: Рассчитайте проводимость

1. Используйте закон Ома для расчета сопротивления:

R = V/I

2. Используйте формулу для определения проводимости:

σ = L/(R*A)

где (L) - длина образца, (A) - площадь поперечного сечения, (R) - сопротивление.

Шаг 4: Сравните результаты

Ожидаемая проводимость:

-Медь: ~5,96 × 10⁷ С/м (очень высокая)

-Алюминий: ~3,5 × 10⁷ С/м

-Ti-6Al-4V: ~1,8 × 10⁶ S/m (намного ниже).

Обсудите, почему проводимость варьируется, используя атомную структуру и подвижность электронов.

4. Наблюдение теплопроводности

Этот эксперимент демонстрирует скорость передачи тепла в различных металлах. Вам понадобится источник тепла (например, горячая плита), термометр или термощуп, а также металлические стержни одинакового размера.

Шаг 1: Подготовьте образцы

Поместите образцы меди, алюминия и Ti-6Al-4V примерно одинакового размера на жаропрочную поверхность.

Вставьте датчики температуры по всей их длине.

Шаг 2: Ввод тепла

Медленно нагревайте один конец каждого образца, сохраняя остальные при комнатной температуре.

Обеспечьте одинаковое время и интенсивность нагрева.

Шаг 3: Измерьте распределение температуры

Измеряйте температуру вдоль стержней через равные промежутки времени (например, 10 секунд).

Обратите внимание, как быстро нагревается дальний конец каждого образца.

Шаг 4: Сравните и проанализируйте

Объясните теплопроводность и эффективность передачи энергии:

-медь: ~401 Вт/м-К

-Алюминий: ~237 Вт/м-К

-Ti-6Al-4V: ~6,7 Вт/м-K

Объясните, почему медь нагревается быстрее всего, а титановый сплав медленнее всего, с точки зрения колебаний решетки и связи.

Часто задаваемые вопросы

В: Что делает металлы ценными для лабораторных и промышленных применений?

О: Их прочность, проводимость и плотность делают их подходящими для проводки, хирургических приборов и химических реакторов.

В: Какую связь имеют электро- и теплопроводность с атомной структурой?

О: Металлы со свободными электронами (например, медь и алюминий) являются проводниками тепла и электричества и демонстрируют принципы квантовой физики и физики твердого тела.

В: Могут ли эти свойства повлиять на дизайн лекарств или химического оборудования?

О: Да, нержавеющая сталь или титан регулярно используются в реакторах и трубопроводах на основе термической стабильности, прочности и устойчивости к коррозии.

Заключение

Использование металлических образцов в курсах STEM на основе физики дает возможность осязательного обучения, основанного на данных. Студенты могут измерять, сравнивать и тестировать важные свойства материалов, влияющие на инженерные и промышленные приложения. В этих экспериментах такие понятия, как плотность, прочность и проводимость, перестают быть абстрактными - они становятся осязаемыми, измеряемыми и конкретными. Практическое обучение делает знания более прочными и готовыми к применению для решения проблем в инженерии, химии и прикладной физике.

Дополнительные ресурсы

-Stanford Advanced Materials (SAM) - база данных свойств металлов

-Каллистер, В.Д., Материаловедение и инженерия: An Introduction, 10th Edition

- Руководства полабораторным работам для старшей школы STEM и программ по физике для студентов

-Онлайн-учебники: Эксперименты по плотности, проводимости и теплопроводности