Похожие публикации

Головин Игорь 203 Этическая философия по Сократу: мораль и нравственность
Документ
МОРАЛЬ (лат. moralis — нравственный, от mos, мн. ч. mores — обычаи, нравы, поведение), нравственность, один из основных способов нормативной регуляции...полностью>>

Урок физики и математики с применением информационных технологий в 7-м классе
Урок
Цель урока: показать приёмы организации учебной деятельности на уроке физики и математики с применением информационных технологий в 7-м классе, направ...полностью>>

Урок биологии в 9 классе по теме «Начальные этапы развития жизни»
Урок
Они были гетеротрофами, т.е. использовали в качестве источника энергии (пищи)… (готовые органические соединения, находящиеся в растворенном виде в вод...полностью>>

Рекомендации по профилактике и коррекции школьных неврозов. Заключение
Реферат
Развитию невроза способствуют биологические, филогенетические и психологические факторы. Человеческое существо рождается биологически незавершенным и ...полностью>>



«молекулярная физика» в школьном курсе физики

РАЗДЕЛ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

§ 1. ЗНАЧЕНИЕ, МЕСТО И ОСОБЕННОСТИ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В разделе «Молекулярная физика» учащиеся изучают пове­дение качественно нового материального объекта: системы, со­стоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и соответствую­щий ей вид энергии, (внутреннюю). Здесь учащихся впервые знако­мят со статистическими закономерностями, которые используют для описания поведения большого числа частиц. Фор­мирование стати­стических представлений позволяет помять смысл необратимости тепловых процессов. Именно необратимость является отличитель­ным свойством тепловых процессов и позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять принцип ра­боты тепловых машин.

Задача учителя — рассмотреть в единстве два метода описа­ния тепловых явлений и процессов: термодинамический (феноме­нологи­ческий), основанный на понятии энергии, и статистический, основан­ный на молекулярно-кинетических представлениях о строе­нии веще­ства. При рассмотрении статистического и термодинами­ческого мето­дов необходимо четко разграничить знания, полученные эмпириче­ски, и знания, полученные в результате моделирования внутреннего строения вещества и происходящих с ним явлений и процессов.

Важно показать, что эти два подхода, по сути, описывают с раз­ных точек зрения состояние одного и того же объекта и по­тому до­полняют друг друга. В связи с этим, формируя такие по­нятия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т. д., учитель дол­жен раскрыть их содержание как с термодинамиче­ской, так и с моле­кулярно-кинетической точки зрения.

В разделе «Молекулярная физика» изучают молекулярно-кине­тическую теорию строения вещества, основные положения ко­торой рассматривали еще в VII классе. Изучая физику в VII и VIII классах, учащиеся научились объяснять целый ряд физиче­ских явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и газов, дав­ление, тепловые явления и пр.) с точки зрения внутренней струк­туры вещества. Од­нако понятия, составляющие содержание соответствующих тем, изучали на уровне представлений, а все явления описывали качественно. Поэтому при преподавании молеку­лярной физики в X классе знания, имеющиеся у учащихся, нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до уровня понятий и количественного описания явлений. В частности, в курсе физики X класса изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов; значительно глубже, чем в VII классе, рассматривают свойства газов, жидкостей и твердых тел.

В разделе получают дальнейшее развитие энергетические пред­ставления, происходит обобщение закона сохранения энергии на тепловые процессы, вводят формулу первого закона термодина­мики и рассматривают применение этого закона к анализу кон­кретных процессов. Изучение одного из основных принципов тер­модинамики имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение для десятиклассников.

Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броунов­ское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газо­вые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).

Мировоззренческое значение раздела «Молекулярная физика» трудно переоценить. При его изучении происходит углубление по­нятия материи. Молекулы и атомы являются вещественной фор­мой материи, объективно существующей в окружающем мире. Они обладают массой, импульсом, энергией. Являясь видом материи, молекулы и атомы имеют присущие материи свойства, одно из которых — движение. Молекулы и атомы участвуют в особом дви­жении, называемом тепловым, которое отличается от простейше­го механического движения большой совокупностью участвую­щих в нем частиц и хаотичностью. Тепловое движение описыва­ется статистическими законами. В связи с этим важно показать школьникам различие между статистическими и динамическими закономерностями, соотношение между ними и обратить внимание учащихся на отражение в этих закономерностях категорий не­обходимого и случайного.

Раздел «Молекулярная физика» дает прекрасную возможность для демонстрации дедуктивного метода изучения явлений приро­ды. Применение дедукции в преподавании вносит свой вклад в развитие абстрактного мышления учащихся.

Велико политехническое значение этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение. Знание внутреннего строения тел позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, целенаправленно работать над повышени­ем твердости, термостойкости, теплопроводности металлов и сплавов.

Изучение тепловых явлений дает возможность ознакомить уча­щихся c основами теплоэнергетики, отрасли, занимающей в на­шей стране первое место в обеспечении энергией нужд промыш­ленности и быта.

Раздел «Молекулярная физика» изучается в старших классах после раздела «Механика». Такое расположение материала, с од­ной стороны, соответствует методическому принципу рассмотрения физических явлений в порядке усложнения форм движения Ма­терии, а с другой — позволяет изучать микроявления на количе­ственном уровне и использовать известные из курса механики ве­личины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и т. д.

§ 2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два обстоятельства: избранный метод изучения газовых законов (ин­дуктивный или дедуктивный) и метод введения понятия темпе­ратуры.

При индуктивном изучении газовых законов вначале на каче­ственном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики, газовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения молекулярных представлений и на основе термодинамического подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест­ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт­ном изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термоди­намики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термоди­намики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа (ос­новное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, темпе­ратура - мера средней кинетической энергии молекул) — свойства газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне до­ступен для учащихся, при его использовании представления и по­нятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не требует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует истории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся с пу­тями развития физики. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-кинетическую теорию для описания свойств идеального газа.

При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравнение

уравнения состояния идеального газа и подтверждают экспери­ментально. Далее можно изучать законы термодинамики и рас­сматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Такой подход имеет целый ряд достоинств по сравнению с ин­дуктивным, одно из которых заключается в соответствии его ос­новной идее современного школьного курса — усилению роли научных теорий. Кроме того, он позволяет наглядно продемонст­рировать тот факт, что фундаментальных законов в физике не так много, большинство же могут быть получены как частные случаи из более общих законов. Применение здесь дедуктивного метода играет большую роль в формировании научного мировоззрения и развитии мышления школьников. Он также позволяет получить выигрыш во времени.

При дедуктивном подходе к изучению газовых законов воз­можна и иная структура раздела, при которой школьников сначала знакомят с основными понятиями и законами молекулярно- кинетической теории и термодинамики, а затем применяют в единстве аппарат этих теорий для изучения свойств макроскопических систем. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории — основы термодинамики — строение и свойства газов, жидкостей и твер­дых тел - агрегатные превращения.

Что касается введения понятия температуры, то при индуктив­ном изучении газовых законов последовательность его раскрытия такова: температура как параметр состояния макроскопической системы — абсолютная температура (из закона Шарля или Гей-Люссака) — температура — мера средней кинетической энергии мо­лекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и эмпирически полученного уравнения состояния идеаль­ного газа).

При дедуктивном изучении газовых законов понятие темпера­туры вводят следующим образом: температура как параметр состояния макроскопической системы — абсолютная температура — температура — мера средней кинетической энергии молекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и

для всех газов в состоянии теплового равновесия показывают, что абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул).

При дедуктивном изучении газовых законов можно ввести по­нятие температуры и по следующей схеме: температура как па­раметр состояния макроскопической системы - температура — мера средней кинетической энергии молекул (по определению после рассмотрения основного уравнения молекулярно-кинетиче­ской теории газов) — абсолютная температура.

В соответствии с программой одиннадцатилетней школы раз­дел «Молекулярная физика» включает две темы: «Основы моле­кулярно-кинетической теории» и «Основы термодинамики», т. е. изучение материала начинают с основных положений молекуляр­но-кинетической теории и их опытного обоснования. Это вполне оправдано, так как глубокое понимание термодинамики возмож­но лишь после изучения механизма, лежащего в основе того или иного процесса. Кроме того, изучение основных положений моле­кулярно-кинетической теории сразу же позволяет установить связь рассматриваемого материала с тем, что уже известно учащимся из курса физики VП—VIП классов и из курса химии VПI— IX классов.

Вопросы молекулярно-кинетической теории изучают здесь бо­лее глубоко, особое внимание уделяют опытным обоснованиям молекулярно-кинетической теории: рассматривают броуновское движение, достаточно детально изучают характеристики молекул, методы их теоретического и экспериментального определения, при объяснении взаимодействия между молекулами проводят анализ графика сил взаимодействия.

Затем в этой же теме изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, понятие температуры, уравнение Менделеева-Клапейрона и изопроцессы. Знания, по­лученные школьниками при изучении этого материала, используют для объяснения свойств паров, жидкостей и твердых тел.

В теме «Основы термодинамики» повторяют и углубляют по­нятия, изученные учащимися в VIII классе: внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты и ра­бота как меры изменения внутренней энергии, обсуждают зависимость внутренней энергии от параметров состояния системы. Затем изучают первый закон термодинамики, дают понятие о вто­ром законе термодинамики (невозможности полного превращения внутренней энергии в работу). Важный вопрос темы - вопрос о принципах действия тепловых двигателей, рассмотрение которого позволяет показать применение законов термодинамики в кон­кретных технических устройствах и тем самым ознакомить деся­тиклассников с физическими основами теплоэнергетики.

§ 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

Сущность статистического метода изучения явлений соответ­ствует положению диалектического материализма о соотношении необходимого и случайного. Движение каждой молекулы тела или системы подчиняется законам классической механики, однако ее поведение в каждый момент времени случайно, оно зависит от множества причин, которые невозможно учесть. Например, ско­рость, энергия, импульс каждой молекулы зависят от столкнове­ний ее с другими молекулами, и предсказать значения этих вели­чин в каждый момент времени невозможно.

С другой стороны, поведение всей совокупности частиц под­чиняется определенным закономерностям, которые называют ста­тистическими и которые проявляются при изучении поведения большого числа частиц. Например, если скорость каждой молеку­лы в данный момент времени - величина случайная, то большин­ство молекул имеет скорость, которая близка к некоторому опре­деленному при данных условиях значению, называемому наиболее вероятным.

Математическую основу статистической физики составляет тео­рия вероятностей, важными понятиями которой являются: «слу­чайное событие», «вероятность», «статистическое распределение», «среднее значение случайной величины».

Под случайным понимают событие, которое может наступить, а может не наступить в данных условиях. Случайное событие характеризуется следующими признаками: а) невозможностью однозначного предсказания случайного события; б) наличием боль­шого числа причин, обусловливающих случайное событие; в) предсказуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных событий; г) вероятностью события как математического выраже­ния возможности предсказания процесса.

Эти признаки можно рассмотреть на примере совокупности большого числа молекул. В частности, невозможно однозначно предсказать движение каждой отдельной молекулы, так как оно зависит от поведения множества других молекул. Это можно сде­лать лишь с определенной вероятностью.

Вероятность — это числовая характеристика возможности по­явления события в тех или иных условиях. Чем больше вероят­ность, тем чаще происходит данное событие. Если число всех проведенных испытаний N, ΔN—число испытаний, в которых про­исходит данное событие, то вероятность этого события вычисляют по формуле: ω=.

Можно под N понимать общее число частиц в системе, а под ΔN — число частиц, находящихся в определенном состоянии. В этом случае ω — вероятность существования частицы в данном состоянии.

В теоретических расчетах бывает сложно вычислить вероят­ность, так как не представляется возможным предсказать число испытаний, в которых событие произойдет. Задача упрощается, если изучают равновероятные события, т. е. события, происходя­щие с равной частотой. Именно с равновероятными событиями имеют дело при рассмотрении хаотического движения молекул: вдоль любых выделенных направлений движется одинаковое чис­ло частиц. Следует пояснить учащимся, что понятие вероятности имеет смысл лишь для массовых событий. В противном случае частота наступления события может существенно отличаться от значения вероятности.

Понятие о статистическом распределении вводят, используя опыт с доской Гальтона (рис. 46), который достаточно наглядно иллюстрирует распределение молекул по координатам. С вопро­сом о распределении десятиклассники сталкиваются при выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, рассматривая равновероятное рас­пределение молекул по объему и по направлениям движения. Изучая вопрос о скоростях молекул, школь­ники знакомятся с максвелловским распределением.

При изучении молекулярно-ки­нетической теории учащиеся ши­роко используют среднее значе­ние случайных величин. Важно подчеркнуть, что среднее значение случайной величины - характеристика статистического распределения. Именно для большого числа частиц среднее значение случайной величины постоянно. К таким величинам относится, например, скорость движения мо­лекул. Не имея возможности определить скорость каждой отдель­ной молекулы, для расчетов используют значение скорости, равное среднему квадрату:

При выводе основного уравнения кинетической теории газов рассчитывают давление газа на стенки сосуда. Речь идет о сред­нем значении давления, так как в разные моменты времени о стен­ку ударяется разное число молекул, имеющих различные скоро­сти. Но при большом числе молекул можно считать давление по­стоянным, а флуктуацию давления достаточно малой.

У учащихся может сложиться впечатление, что статистический метод был введен в науку как некий искусственный прием, позво­ливший описать поведение молекул, и что динамические законы являются основными по сравнению со статистическими. Следует предупредить эту ошибку и объяснить, что статистические законы существуют объективно. Классическая статистика возникла в XIX в. Этот факт выражал прогрессивное направление науки и был связан с изучением внутреннего строения вещества. В настоя­щее время известно, что поведение всех микрообъектов подчиня­ется статистическим законам, причем в квантовой физике в отли­чие от классической статистические законы проявляются не толь­ко вследствие массовости и хаотичности движения, но и в связи с самой природой квантовых объектов (с невозможностью одновре­менного точного определения координаты и скорости частицы). Целесообразно подчеркнуть, что статистический метод является основой современной физики. В частности, вероятностные, стати­стические законы господствуют в мире элементарных частиц.