§ 2. Получение новых материалов и совершенствование технологии их обработки

Прогресс в промышленности существенным образом зависит от наличия экономичных и высококачественных материалов, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям. Одно из основных направлений научно-технического прогресса связано с получением новых материалов и совершенствованием технологии их обработки.

Роль материалов в развитии народного хозяйства непрерывно возрастает, они составляют основу современного технического прогресса. Потребность в новых материалах постоянно растет. Возникают все новые и новые области их применения в промышленности, сельском хозяйстве, быту. Поэтому важно, чтобы выпускники школы были знакомы с основами производства, обработки и использования материалов.

Известно, например, что в 1900 г. для создания самой сложной машины того времени - паровоза - конструкторы могли использовать не более десяти марок сталей и цветных сплавов - таковы были возможности производства материалов и их обработки в то время. В современном же автомобиле используется около ста, в самолете - более трехсот, а в космическом корабле - более тысячи различных марок сталей и цветных сплавов.

Быстрые темпы развития народного хозяйства нашей страны предусматривают необходимость постоянного расширения объема производства материалов, совершенствование технологии их обработки для придания тех физико-механических,.технологических и эксплуатационных свойств, которыми должны обладать современные материалы.

Рис. 11

На рисунке 11 представлена диаграмма объема производства (в млн. т) некоторых основных строительных и конструкционных материалов (чугуна, стали, цемента) в Советском Союзе на конец девятой пятилетки (по сравнению с 1940 г.). В настоящее время в нашей стране производится около двадцати тысяч марок строительных и конструкционных материалов. Наша страна вышла на первое место в мире по производству таких важнейших материалов, как сталь, чугун, прокат черной металлургии, цемент, некоторые виды цветных металлов.

Новая грандиозная программа производства материалов предусмотрена планом развития народного хозяйства в десятой пятилетке.

Рис.12

На рисунке 12 представлена диаграмма прироста производства (в млн. т) основных видов материалов в девятой и десятой пятилетках (по сравнению с 1970 г.).

Основная роль в научном обосновании технологии производства и обработки материалов принадлежит физике твердого тела.

О доминирующей роли материалов в обществе говорят названия исторических эпох - "каменный век", "бронзовый век" и т. д. И чем лучше используется материал, чем меньше затраты на его производство, обработку, тем больше экономия общественного труда, народнохозяйственная выгода.

Изучение основных путей получения и обработки материалов позволяет систематизировать знания школьников о развитии материально-технической базы нашего общества, что необходимо с точки зрения усвоения ими конкретного физического и технического материала курса.

Общая схема предлагаемой систематизации политехнического материала представлена на рисунке 13. Здесь показаны основные вопросы производства, обработки и использования материалов.

Рис. 13

Использование такой схемы позволит учителю систематизировать необходимый политехнический материал и спланировать его изучение в соответствующих разделах курса.

Изучение вопросов получения и обработки материалов в курсе физики преимущественно базируется на знаниях из молекулярной физики. Ниже рассмотрены пути изучения вопросов получения и обработки материалов в курсе физики в соответствии с предлагаемой систематизацией политехнического материала по выбранному направлению технического прогресса.

Производство материалов. Вопросы производства материалов изучаются в основном в курсе химии IX-X классов. Здесь учебная программа предусматривает изучение основных физико-химических свойств черных и цветных металлов и сплавов, химических и строительных материалов, а также разбор технологии их производства. Это создает условия для реализации тесных межпредметных связей при изучении вопросов производства материалов.

Прежде всего необходим единый подход в объяснении основ технологии производства новых материалов. Принципиально возможны два пути создания новых материалов. Один путь - чисто эмпирический - заключается в том, чтобы методом проб и ошибок отобрать естественные вещества и материалы, отвечающие заданным свойствам. (Известно, например, что знаменитый изобретатель Т. А. Эдисон, работая над созданием электрической лампочки, большую часть времени потратил на поиски материала, подходящего для нити накаливания. Он перебрал более 30 тыс. веществ, прежде чем добился успеха.) Однако такой способ неприемлем для создания новых материалов, которые должны использоваться в сложных условиях и удовлетворять совокупности большого числа требований. Комплекс необходимых свойств, как правило, не может быть получен у одного материала. Поэтому в современной технике применяется целый спектр материалов, свойства которых позволяют применять их в различных отраслях народного хозяйства. В связи с этим современной наукой используется другой способ получения новых материалов - управление структурой материала для придания ему нужных свойств.

Каковы же возможности для ознакомления школьников с проблемой современного способа производства материалов на уроках физики?

При изучении молекулярной физики имеется возможность ознакомить учащихся со строением, структурой и свойствами некоторых материалов, с особенностями агрегатных изменений, охарактеризовать не только качественно, но и количественно зависимость физико-механических свойств вещества от его строения. Именно эти сведения лежат в основе получения новых материалов.

Примерное тематическое планирование политехнического материала представлено в таблице 3. В ней содержится перечень демонстраций, лабораторных работ и работ физического практикума.

Остановимся подробнее на некоторых этапах формирования у школьников политехнических знаний, умений и навыков в соответствии с предлагаемым планированием.