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. icon

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.


4 чел. помогло.
Смотрите также:
Тест №11 «Молекулярная физика» Вариант 2 д ля описания поведения большого числа частиц...
Тест №11 «Молекулярная физика» Вариант 1 Для описа­ ния тепловых явлений и процессов следует...
Курс лекций по физической химии Учебно-методическое пособие...
Об­щая ха­рак­те­ри­сти­ка ра­бо­ты Ак­ту­аль­ность те­мы...
Закон сохранения энергии в термодинамике Первый закон термодинамики закон сохранения энергии для...
Исследование тепловых процессов в бортовом преобразователе энергии...
Механика в жидкостях и газах...
Программа дисциплины дпп. Ф. 06 Коллоидная химия...
Термодинамика это наука о тепловых явлениях. Впротивоположность молекулярно-кинетической теории...
Рабочая программа курса "Общая физика"...
Технологии искусственного интеллекта в задача...
Copyright by Kia Motors. All rights reserved...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4
скачать
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.

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.






Скачать 0,61 Mb.
оставить комментарий
страница1/4
Дата27.09.2011
Размер0,61 Mb.
ТипЗадача, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4
плохо
  2
хорошо
  1
отлично
  4
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх