Физика 10,3.1.1_дидактический материал к уроку №1 (1)

Дидактический материал к уроку №1

Раздел долгосрочного плана

« ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ»

Тема урока №1: Основные положения молекулярно-кинетической теории газов и ее опытное обоснование.

Цель обучения 10.3.1.1 - описывать связь температуры со  средней кинетической энергией поступательного движения молекул;

            МКТ объясняет тепловые явления, свойства тел на основе представления о том, что все тела состоят из хаотически движущихся частиц.

         Историческая справка:

В V в до н. э. древнегреческим учёным Демокритом была выдвинута атомистическая гипотеза: всё в мире состоит из атомов; между атомами находится пустота. Аргументы в пользу учения Демокрита можно найти в  в знаменитой поэме древнеримского поэта Лукреция Кара «О природе вещей»:

… одежда сыреет на морском берегу,

А на солнце она высыхает.

Однако видеть нельзя,

Как влага на ней оседает и как она исчезает.

Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,

Что недоступны они для нашего глаза.

IV в. до н. э. Аристотель – отверг гипотезу Демокрита.

Через полторы тысячи лет после появления атомистической гипотезы в средневековой Франции издаётся указ о запрещении распространении учения об атомах под страхом смертной казни. Церковь уничтожает все ростки нового и прогрессивного , не укладывающиеся в систему религиозных представлений о мире.

Только  в XVII в. начала развиваться последовательная молекулярно – кинетическая теория. Большой вклад в развитие этой теории был сделан великим русским учёным  - М.В. Ломоносовым. Он объяснил основные свойства газа беспорядочным движением молекул. Впервые им была объяснена природа теплоты.

 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МКТ

 В основе МКТ лежат три важнейших положения:                      

1)  все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, моле­кул, электронов, ионов);

2)  частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом дви­жении (его часто называют тепловым движением);

3)  частицы вещества взаимодействуют друг с другом.

ОПЫТНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ МКТ

Первое  положение

1. Предположение о молекуляр­ном строении вещества подтверждалось только косвенно. Размеры молекул и атомов так малы, что различить их в обычный микро­скоп невозможно. Поэтому даже в XIX-м веке многие ученые еще сомневались в существовании молекул. Сегодня техника достигла уровня, при котором можно рассмотреть даже отдельные атомы при помощи ионных и электронных микроскопов. Убедиться в существовании молекул и оценить их размер можно довольно просто. Поместим очень маленькую капельку масла на поверхность воды. Масляное пятно будет растекаться по поверхно­сти воды, но площадь масляной пленки не может превышать опре­деленного значения. Естественно предположить, что максимальная площадь пленки соответствует масляному слою толщиной в одну молекулу. Например, капелька оливкового масла объемом 1 мм³ растекается по площади не более 1 м². Отсюда следует, что размер молекулы масла порядка   10^-9м.

2. Ещё одно подтверждение - опыт Бриджмена: масло, налитое в стальной сосуд сдавливают под сверхвысоким давлением, и замечают, что капельки масла появились на стенках сосуда. Вывод: масло состоит из мельчайших частиц, которые смогли пройти через промежутки между частицами стального сосуда.

Второе  положение доказывает явление диффузии - взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки другого вещества.

1. Убедиться в том, что молекулы движутся, можно совсем просто: капните капельку духов в одном конце комнаты, и через несколько секунд этот запах распространится по всей комнате. В окружающем нас воздухе молекулы носятся со скоростями артиллерийских сна­рядов — сотни метров в секунду.

В жидкостях диффузия происходит медленнее. В стеклянный сосуд наливают водный раствор медного купороса. Этот раствор имеет темно-голубой цвет. Поверх раствора в сосуд очень осторожно, чтобы не смешать жидкости, наливают чистую воду. Медный купорос тяжелее воды и потому остается внизу сосуда. В начале опыта между двумя жидкостями видна резкая граница. Оставим сосуд в покое. Через несколько дней можно заметить, что граница раздела между жидкостями расплылась. А недели через две эта граница вообще исчезнет, и в сосуде будет находиться однородная жидкость бледно-голубого цвета. Итак, причиной диффузии является непрерывное и беспоря­дочное движение частиц вещества. При диффузии частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества, и вещества перемешиваются.

 Медленнее всего диффузия происходит в твердых телах. В одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили одна на другую и сжали грузом. Через пять лет золото и свинец проникли друг в друга на 1 мм.

Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом тем­пературы.

Диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятель­ности человека, животных и растений. Например, именно благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь человека, а из крови — в ткани.

2. В начале XIX-го века английский бо­таник Броун, наблюдая в микроскоп частицы пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частицы пребывают в «вечной пляске». Причину так называемого «броуновского движения» поняли только через 50 лет после его открытия: отдельные удары молекул жидко­сти о частицу не компенсируют друг друга, если эта частица доста­точно мала. С тех пор броуновское движение рассматривается как наглядное опытное подтверждение теплового движения молекул.             

Докажем третье положение.                                                                  

Поставим опыты.

1.         Чтобы получить некоторое пред­ставление о величине сил взаимодействия между молекулами, попробуйте разорвать стальную или капроновую нить сечением 1 мм². Немногие смогут это сделать, а ведь усилиям всего ва­шего тела «противостоят» силы при­тяжения молекул в малом сечении нити!

2.         Если плотно прижать друг к другу свинцовые цилиндры с хорошо зачищенными торцами, они «сцепля­ются» настолько прочно, что к ним можно подвешивать килограммовую гирю (см. рисунок). Этот опыт также свидетельствует о наличии сил меж­молекулярного притяжения.

Если бы молекулы не притягивались друг к другу, не было бы ни жидкостей, ни твердых тел — они просто рассыпались бы на от­дельные молекулы. С другой стороны, если бы молекулы только при­тягивались, они «слипались» бы в чрезвычайно плотные сгустки, а молекулы газов при ударах о стенки сосуда «прилипали» бы к ним. Взаимодействие молекул имеет электрическую природу. Хотя молеку­лы, в целом, электрически нейтральны, распределение положитель­ных и отрицательных электрических зарядов в них таково, что на больших расстояниях (по сравнению с размерами самих молекул) мо­лекулы притягиваются, а на малых расстояниях — отталкиваются.

                                                                                                              На рисунке приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами, где F_о и F_п — соответственно силы отталкивания и притяжения,  F — их результирующая. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения  - отрицательными.

На расстоянии r = r_о результирующая сила F = 0, т.е.силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг Друга. Таким образом, расстояние г₀ соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились а отсутствие теплового движения. При r < г₀ преобладают силы отталкивания (F > 0), при r>r₀ — силы притяжения (F < О). На расстояниях г > 10^-9 м межмо­лекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F →0).

           Ярким примером различного взаимодействия молекул является то, что вещество может находиться в различных агрегатных состояниях. Например: лёд, вода и водяной пар.                               

Лёд, вода и водяной пар состоят из одних и тех же молекул. Различие заключается в скорости молекул, их взаимном расположении и силах взаимодействия между ними.