Похожие публикации

Тестовая работа по технологии для учащихся 5-6 классов. Составитель Болясов Андрей Борисович учитель технологии высшей категории мбоу сош №4 г. Красный Сулин Р
Документ
Тестовая работа по технологии для учащихся 5-6 классов. Составитель Болясов Андрей Борисович учитель технологии высшей категории МБОУ СОШ №4 г. Красны...полностью>>

Проект от 24. 09. 2013 г. Научно-практическая конференция Механизмы развития
Документ
Представление опыта и определение механизмов развития добровольческих социальных услуг для людей старшего возраста в социально-ориентированных некомме...полностью>>

Первый заместитель Главы администрации Зайцев А. Ю. провел очередное еженедельное совещание с руководителями района, председателями комитетов и отделов администр
Документ
Первый заместитель Главы администрации Зайцев А.Ю. провел очередное еженедельное совещание с руководителями района, председателями комитетов и отделов...полностью>>

Программа итоговой аттестации дополнительная профессиональная образовательная программа «Переводчик в сере профессиональной коммуникации» Утверждено на заседании кафедры
Программа
Материалы итоговой аттестации разработаны на кафедре иностранных языков МГГУ на основе требований ГОС ВПО, Положения об итоговой аттестации выпускнико...полностью>>



«молекулярная физика» в школьном курсе физики

Термодинамический метод описания явлений и процессов опи­рается на непосредственные данные наблюдений и опытов и на основные термодинамические принципы (законы термодинамики).

Термодинамика - феноменологическая теория, которая изучает явления и свойства макроскопических тел, связанные с превраще­нием энергии, и не рассматривает их внутреннее строение. Начало термодинамики как науки было положено в работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.), в которой рассматривались тепловые процессы, в частности вопросы изменения внутренней энергии при совершении работы и вопросы теории тепловых машин. В на­стоящее время термодинамика изучает превращения энергии не только в тепловых процессах, но и в электрических, магнитных, химических и др.

В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия: «термодинамическая система», «состояние термодинами­ческой системы», «термодинамические параметры состояния» и «равновесное состояние».

Термодинамической системой называют тело или совокупность тел, обменивающихся энергией между собой и с внешними тела­ми. Если обмена энергией с внешними телами нет, то система яв­ляется изолированной. Понятие изолированной системы — абстракция, все реальные системы можно считать изолированными лишь с той или иной степенью точности.

С понятием состояния школьники уже знакомы из курса ме­ханики. Они знают, что механическое состояние системы опреде­ляется совокупностью величин, характеризующих свойства систе­мы и называемых параметрами состояния. К ним в механике от­носят координату, импульс и т. д. Состояние термодинамической системы также определяется рядом параметров (термодинамиче­ских). Термодинамическими параметрами состояния являются тем­пература, объем, давление и т. д.

Число параметров, характеризующих состояние системы, за­висит от свойств системы и от условий, в которых она находится. Трех названных выше параметров достаточно для описания изо­лированной системы «идеальный газ», но если рассматривать, на­пример, неоднородный газ, то необходимо учитывать еще и кон­центрацию.

Параметры могут быть внешними и внутренними. Температу­ра и давление, например, зависят только от состояния самой системы и не связаны с внешними условиями. Объем же зависит от внешних условий. Некоторые параметры состояния, например, объем, обладают свойством аддитивности, другие, такие, как дав­ление и температура, не обладают.

При изменении состояния системы меняются и ее параметры. Однако для целого ряда тер­модинамических систем между параметрами можно установить функциональную зависимость. Уравнение, выражающее эту зави­симость, называют уравнением состояния (для системы «идеаль­ный газ» это уравнение pV=NkT).

Состояние системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние характеризуется неизменностью всех тер­модинамических параметров системы во времени и одинаковостью в пространстве в отсутствие внешних воздействий. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находит­ся в неравновесном состоянии (т. е. параметры ее с течением времени меняются), то постепенно она придет в состояние равно­весия и ее параметры выровняются во всех частях системы.

Изо­лированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние, из которого не может само­произвольно выйти. Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия, являющегося одним из важней­ших опытных законов термодинамики. Именно закон термодина­мического равновесия делает возможным измерение температуры системы.

Целесообразно подчеркнуть, что уравнение состояния идеаль­ного газа и частные газовые законы справедливы лишь для рав­новесных процессов. К неравновесным процессам они непримени­мы, так как в этом случае параметры состояния различны для разных частей системы. Из одного равновесного состояния в дру­гое система может перейти под влиянием внешнего воздействия.

Такой переход в термодинамике называют процессом. Если во вре­мя процесса система остается равновесной, то и процесс называ­ют равновесным. Равновесный процесс осуществляется тогда, ког­да время релаксации (время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное) много меньше времени осуществления процесса. В этом случае систему в каждый момент времени с той или иной степенью точности считают равновесной, или статиче­ской. Поскольку в действительности отклонения от статичности имеются (иначе нельзя было бы осуществить процесс), то состоя­ние системы называют квазистатическим, а процесс — квазистати­ческим процессом. Следует иметь в виду, что на графике можно изобразить только равновесное (квазистатическое) состояние или равновесный (квазистатический) процесс.


При изучении раздела «Молекулярная физика» учителю сле­дует постоянно подчеркивать единство статистического и термоди­намического методов. В этом отношении полезно обобщать и си­стематизировать знания школьников о статистическом и термоди­намическом подходах к описанию тепловых явлений. Обобщение знаний проводят в конце изучения всего раздела, а связь между этими подходами представляют в виде схемы, изображенной на рисунке 47.

§ 4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Изучение темы «Основные положения молекулярно-кинетической теории» необходимо строить с опорой на знания учащихся, полученные ими при изучении курса физики VП и VIII классов и курса химии VIII и IX классов.

Центральное понятие этой темы — понятие молекулы; слож­ность его усвоения школьниками связана с тем, что молекула — объект, непосредственно ненаблюдаемый. Поэтому учитель дол­жен убедить десятиклассников в реальности микромира, в возмож­ности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул и позволяющих вычислить их основные ха­рактеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул.

При рассмотрении доказательства существования и движения молекул рассказывают учащимся о наблюдениях Броуном беспо­рядочного движения мелких взвешенных частиц, которое не прекращалось в течение всего времени наблюдения. В то время не было дано правильного объяснения причины этого движения, и лишь спустя почти 80 лет А. Эйнштейн и М. Смолуховский построили, а Ж. Перрен экспериментально подтвердил теорию броу­новского движения.

Из рассмотрения опытов Броуна необходимо сделать следую­щие выводы: а) движение броуновских частиц вызывается уда­рами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены; б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зави­сит от свойств вещества, в котором частицы взвешены; в) движе­ние броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся; г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный и хаотический характер этого движения.

Подтверждение такого характера движения молекул было по­лучено в опыте французского физика Дюнуайе (1911 г.), который показал, что молекулы газа движутся в различных направлениях и в отсутствие соударений их движение прямолинейно. В настоя­щее время факт существования молекул ни у кого не вызывает сомнения. Развитие техники позволило непосредственно наблю­дать крупные молекулы.

Рассказ о броуновском движении целесообразно сопровождать демонстрацией модели броуновского движения в вертикальной проекции с помощью проекционного фонаря или кодоскопа, а так­же показом кинофрагмента «Броуновское движение» из кинофиль­ма «Молекулы и молекулярное движение».

Кроме того, полезно провести наблюдение броуновского движе­ния в жидкостях с помощью микроскопа. Препарат изготавлива­ют из смеси равных частей двух растворов: 1%-ного раствора серной кислоты и 2%-ного водного раствора гипосульфита. В ре­зультате реакции образуются частицы серы, которые находятся в растворе во взвешенном состоянии. Две капли этой смеси поме­щают на предметное стекло и наблюдают за поведением частиц серы. Препарат можно изготовить из сильно разбавленного рас­твора молока в воде или из раствора акварельной краски в воде.

При обсуждении вопроса о размерах молекул рассматривают сущность опыта Р. Рэлея, который заключается в следующем: на поверхность воды, налитой в большой сосуд, помещают каплю оливкового масла. Капля растекается по поверхности воды и об­разует круглую пленку. Рэлей предположил, что, когда капля пере­стает растекаться, ее толщина становится равной диаметру одной молекулы. Опыты показывают, что молекулы различных веществ имеют разные размеры, но для оценки размеров молекул прини­мают величину, равную 10-10 м. В классе можно проделать ана­логичный опыт.

Для демонстрации расчетного метода определения размеров молекул приводят пример вычисления диаметров молекул различ­ных веществ по их плотностям и постоянной Авогадро.

Представить малые размеры молекул школьникам трудно, по этому полезно привести ряд примеров сравнительного характера. Например, если увеличить все размеры во столько раз, чтобы молекула была видна (т. е. до 0,1 мм), то песчинка превратилась бы в стометровую скалу, муравей увеличился бы до размеров океанского корабля, человек обладал бы ростом 1700 км.

Число молекул в количестве вещества 1 моль можно опреде­лить по результатам опыта с мономолекулярным слоем. Зная диа­метр молекулы, можно найти ее объем и объем количества ве­щества 1 моль, который равен


где р — плотность жидкости. Отсюда определяют постоянную Аво­гадро.

Расчетный метод заключается в определении числа молекул в количестве вещества 1 моль по известным значениям молярной массы и массы одной молекулы вещества. Значение постоянной Авогадро, по современным данным, 6,022169*1023 моль-1. С рас­четным методом определения постоянной Авогадро можно ознако­мить учащихся, предложив ее вычислить по значениям молярных масс разных веществ.

Следует ознакомить школьников с числом Лошмидта, которое показывает, какое число молекул содержится в единице объема газа при нормальных условиях (оно равно 2,68799*10-25 м-3). Де­сятиклассники могут самостоятельно определить число Лошмидта для нескольких газов и показать, что оно во всех случаях одно и то же.

Приводя примеры, можно создать у ребят представление о том, насколько большим является число молекул в единице объе­ма. Если в резиновом воздушном шаре сделать прокол настолько тонкий, что через него каждую секунду будет выходить по 1 000 000 молекул, то понадобится примерно 30 млрд. лет, чтобы все молекулы вышли.

Один из методов определения массы молекул основан на опыте Перрена, который исходил из того, что капли смолы в воде ведут себя так же, как молекулы в атмосфере. Перрен подсчитывал число капелек в разных слоях эмульсии, выделив с помощью мик­роскопа слои толщиной 0,0001 см. Высота, на которой таких капе­лек в два раза меньше, чем у дна, была равна h = 3*10-5 м. Мас­са одной капли смолы оказалась равной М = 8,5*10-18 кг.

Если бы наша атмосфера состояла только из молекул кислорода, то на высоте Н=5 км плотность кислорода была бы в два раза меньше, чем у поверхности Земли. Записывают пропорцию m/M=h/H, откуда находят массу молекулы кислорода m=5,1*10-26 кг. Предлагают учащимся самостоятельно рассчитать массу молекулы водорода, плотность которого в два раза мень­ше, чем у поверхности Земли, на высоте H=80 км.

В настоящее время значения масс молекул уточнены. Напри­мер, для кислорода установлено значение 5,31*10-26 кг, а для во­дорода - 0,33*10-26 кг.

При обсуждении вопроса о скоростях движения молекул уча­щихся знакомят с классическим опытом Штерна. При объяснении опыта целесообразно создать его модель с помощью прибора «Вращающийся диск с принадлежностями». На краю диска в вер­тикальном положении укрепляют несколько спичек, в центре диска — трубку с желобом. Когда диск неподвижен, шарик, опу­щенный в трубку, скатываясь по желобу, сбивает одну из спичек. Затем диск приводят во вращение с определенной скоростью, за­фиксированной по тахометру. Вновь пущенный шарик отклонится от первоначального направления движения (относительно диска) и собьет спичку, находящуюся на некотором расстоянии от первой. Зная это расстояние, радиус диска и скорость шарика на ободе диска, можно определить скорость движения шарика по радиусу. После этого целесообразно рассмотреть сущность опыта Штерна и конструкцию его установки, используя для иллюстрации кино­фрагмент «Опыт Штерна».

Обсуждая результаты опыта Штерна, обращают внимание на то, что существует определенное распределение молекул по ско­ростям, о чем свидетельствует наличие у полоски напыленных атомов определенной ширины, причем толщина этой, полоски различна. Кроме того, важно отметить, что молекулы, движу­щиеся с большой скоростью, оседают ближе к месту напротив щели. Наибольшее число молекул имеет наиболее вероятную скорость.

Необходимо сообщить учащимся, что теоретически закон рас­пределения молекул по скоростям был открыт Дж. К. Максвел­лом. Распределение молекул по скоростям может быть промодели­ровано на доске Гальтона.

Вопрос о взаимодействии молекул школьники уже изучали в VII классе, в X классе знания по этому вопросу углубляют и рас­ширяют. Необходимо подчеркнуть следующие моменты: а) меж­молекулярное взаимодействие имеет электромагнитную природу; б) межмолекулярное взаимодействие характеризуется силами при­тяжения и отталкивания; в) силы межмолекулярного взаимодейст­вия действуют на расстояниях, не больших 2—3 диаметров моле­кул, причем на этом расстоянии заметна лишь сила притяжения, силы отталкивания практически равны нулю; г) по мере умень­шения расстояния между молекулами силы взаимодействия уве­личиваются, причем сила отталкивания растет быстрее (пропорционально г-9), чем сила притяжения (пропорционально r-7).

Поэтому при уменьшении расстояния между молекулами сначала преобладает сила притяжения, затем при некотором расстоянии rо сила притяжения равна силе отталкивания и при дальнейшем сближении преобладает сила отталкивания.

Все вышесказанное целесообразно проиллюстрировать графи­ком зависимости от расстояния сначала силы притяжения, силы отталкивания, а затем равнодействующей силы. Полезно постро­ить график потенциальной энергии взаимодействия, который в дальнейшем можно использовать при рассмотрении агрегатных состояний вещества.

Внимание десятиклассников обращают на то, что состоянию устойчивого равновесия взаимодействующих частиц соответствует равенство нулю равнодействующей сил взаимодействия и наи­меньшее значение их взаимной потенциальной энергии.

В твердом теле энергия взаимодействия частиц (энергия свя­зи) много больше кинетической энергии их теплового движения, поэтому движение частиц твердого тела представляет собой коле­бания относительно узлов кристаллической решетки. Если кинети­ческая энергия теплового движения молекул много больше потен­циальной энергии их взаимодействия, то движение молекул полно­стью беспорядочное и вещество существует в газообразном состоянии. Если кинетическая энергия теплового движения частиц сравнима с потенциальной энергией их взаимодействия, то веще­ство находится в жидком состоянии.

§ 5. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ

Существуют два определения понятия идеального газа: термо­динамическое и молекулярно-кинетическое. В термодинамике под идеальным газом понимают газ, у которого при изотермическом процессе при постоянной массе давление обратно пропорциональ­но его объему (или газ, в точности подчиняющийся газовым за­конам).

С молекулярно-кинетической точки зрения идеальный газ — это газ, молекулы которого представляют собой материальные точки, не взаимодействующие друг с другом на расстоянии, но взаимодействующие при столкновениях по закону абсолютно уп­ругого удара. Такое определение модели вполне правомерно, так как силы взаимодействия между молекулами газа в десятки мил­лионов раз меньше, чем в жидкостях и твердых телах, т. е. ими можно пренебречь. Принимая молекулы газа за материальные точки, исходят из того, что их суммарный объем много меньше объема сосуда и его можно не учитывать. Это связано с тем, что расстояния между молекулами газов в десятки раз больше, чем в жидкостях и твердых телах. Следует иметь в виду, что принятая модель «идеальный газ» «работает» только тогда, когда газ нахо­дится в равновесном состоянии. Если газ находится в неравно­весном состоянии, то моделью идеального газа пользоваться нель­зя. Это следует из тех соображений, что длина свободного пробега молекул газа обратно пропорциональна концентрации мо­лекул и их размеру: l=, где r0 — эффективный радиус молекулы; по определению идеаль­ного газа эффективный радиус молекулы равен нулю (r0 = 0), тогда длина свободного пробега молекулы стремится к бесконеч­ности (l=), т. е. молекулы газа друг с другом не сталкиваются и равновесное состояние не наступает. Однако газ, находя­щийся в неравновесном состоянии, будучи предоставленным само­му себе, приходит в равновесное состояние в результате столкно­вения молекул друг с другом, причем, как следует из опыта, а газах тепловое равновесие наступает быстро. Следовательно, при установлении теплового равновесия пренебрегать размерами мо­лекул газа нельзя.