Обобщающий урок-конференция по теме "Основные положения МКТ" (10 класс)

1.           Представить в виде схемы с ее обсуждением ответ на поставленный в докладе вопрос: из чего все сделано?

Ответ:

2.       


Перечислить факты, подтверждающие, что вещество состоит из отдельных частиц.

3.          







Соберите попарно лежащие у вас на столе карточки, связывая параметры молекулы с соответствующими  выражениями.

1.                                      a)

2.                          б)

3.                                      в)

4.                                     г)

5.                                     д)

6.                                       е)

7.                                     ж)

Предлагаю заполнить таблицу «Этапы изучения броуновского движения» и обсудить ее. Определение броуновского движения записать в тетрадь.

 V₂=

:    V₁=

Распределение Максвелла
 Взаимодействие между молекулами имеет электромагнитный характер.












Взаимодействие молекул

Зависимость энергии взаимодействия от расстояния










Колебание молекулы №2,в поле молекулы №1






Агрегатные состояния


Почему твердые тела при нагревании расширяются?

Предлагаю заполнить таблицу, используя уравнение состояния газа.

О каких газовых законах Вы могли бы рассказать? «Предлагаю заполнить таблицу

Малышонок Любовь Владимировна

Учитель физики МАОУ «СОШ № 76» г. Северска Томской области

Я выбрала данную тему т. к. считаю ее очень значимой в курсе физики. Конференция позволяет расширить границы познания и углубить  их. Составление таблиц и логических схем позволяет показать материал в единстве и взаимосвязи, развивать логическое мышление и навыки выделения главного.

В работе использовала литературу:

И.П.Гурский «Элементарная физика» « наука» 1973г.  «Просвещение» 1994 Р.Д. Минькова »Преподавание физики в 10 кл. средней школы» Москва2012г. Митио Каку « Физика будущего» ; « Яуза- пресс», 2011Л. Стрельникова «Из чего все сделано? «

Обобщающий урок по теме

«Основы молекулярно - кинетической теории строения вещества»

Форма проведения - конференция

Цели урока:

·        Обучающая: углубленное повторение, систематизация материала.

·        Воспитывающая: уважение к труду ученых, гордость за их открытия; уважение к собеседнику, навыки выступления, формирование научного мировоззрения.

·        Развивающая: умение анализировать синтезировать материал, развивать интерес к приобретению новых знаний.

Методическое обоснование:  при изучении темы важна межпредметная связь с курсом 7-8 классов: по химии (понятия молекулы, моля, молярной, молекулярной массы, объема моля газа при нормальных условиях, законы Авогадро и Дальтона), по математике (действия со степенными выражениями), по виду деятельности учащихся с курсом истории и географии: как умение составлять таблицы, систематизировать и обобщать факты. Внутри предметная связь - это расширение знаний о молекуле.

Работает 5 групп. В каждой группе: докладчик, оппонент, представитель прессы.

  На этот вопрос химики искали ответ сотни лет. В древней Греции зародилась идея, согласно которой все тела состоят из мельчайших частичек. Идея атомистического строения материи была высказана впервые Левкиппом (500-440 гг. до н. э.) и развита его гениальным учеником Демокритом.

Суть учения сводится к следующему:

1.   Не существует ничего, кроме атомов.

2.   Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.

3.   Из ничего не происходит ничего.

4.   Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью.

5.   Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке,  качественного различия между атомами не существует.

Идею атомного строения развивает греческий философ Эпикур (342-270 гг. до н. э.). В его работах атомы имеют вес, представление о них вытекает из наблюдений: белье высыхает, т. к. от него отрываются частицы воды и под действием солнца и ветра покидают белье. Церковь преследует учения и труды, они уничтожаются. Но эти идеи изложил в своих сочинениях римский ученый Лукреций Кар «О природе вещей». Он писал: о строении вещества, о хаотическом движении, о законе сохранения вещества, которые получили дальнейшее развитие в науке.

Ибо все вещи, как мы замечаем, становятся меньше

И как бы тают они в течение долгого века,

И похищают их ветхость из наших очей незаметно…

Существует легенда о том, что рука золотой статуи в древе греческом храме, которую целовали прихожане, за десятки лет похудела. Предлагаю посчитать, приняв, массу одной частицы  золота равной 310^-25. Пусть каждый прихожанин унес 1000 частиц. Чтобы унести 1г золота, сколько должно пройти человек? Сравните с общей численностью людей живущих на планете.

Лукреций Кар пишет:

Вот посмотри: всякий раз,

Когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.

Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,

В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя….

В средние века атомистическая гипотеза была предана забвению. Лишь в 17 веке Ньютон попытался объяснить расширение газов, исходя из предположения, что молекулы стремятся заполнить пустое пространство.

В восемнадцатом веке идеи атомизма отстаивал и развивал М.В.Ломоносов. Он четко разграничивал понятия молекулы и атома, т. е. вплотную подошел к идее химических соединений; связал температуру тел со скоростью вращательного движения составляющих их частиц; предсказал существование абсолютного нуля температур. Идеи М.В.Ломоносова опередили свое время на столетие.

Одним из первых ученых, применившим в 1738г. количественные расчеты для объяснения давления газов с молекулярной точки зрения, был член Петербургской академии наук Д. Бернули.

Дальнейшее развитие атомной молекулярной теории связано с химической атомистикой начала 19 века, давшей количественное подтверждение атомистической гипотезе.

Англичанин Джон Дальтон (1766-1844) догадался, что вещество состоит из атомов с разными массами и атомы объединяются в молекулы - так впервые прозвучало правильное описание материи.

В 1803г. английский ученый Дальтон установил закон кратных отношений, согласно которому если два элемента образуют несколько соединений, то с постоянной по абсолютному значению массой одного элемента вступают в соединения такие количества другого элемента, которые относятся между собой как небольшие целые числа. Как объяснить данную закономерность на основе атомной теории?

Решение.

Закон справедлив для любых количеств вещества, в том числе и самых маленьких. Следовательно, можно предположить, что в каждой химической реакции с одним и тем же  количеством атомов одного элемента вступает в соединение строго определенное число атомов другого элемента.

Примеры:

a) C₂H_4, C₂H_6, ;     b) NO,  NO₂;    в) N₂O_3,  N₂O₅

В 1809г. Французский ученый Гей—Люссак опубликовал» закон кратных объемов», согласно которому отношение объемов газов, вступивших в химические реакции, выражаются простыми целыми числами. Как объяснить этот закон на основе корпускулярной теории?

Решение.

Закон справедлив для любых, в том числе и самых малых объемов. Следует предположить, что в этих объемах газов содержится кратное число частиц.

В 1811г  Амадео  Авогадро (1776 –1856)  высказал гипотезу о том, что при одних и тех же условиях (температуре и  давлении) в равных объемах любых газов содержится одинаковое число молекул. Закон позволил установить атомный состав молекул ряда простых соединений: воды, аммиака, хлора, H₂ ,  O₂. Он первым ввел понятия: моля вещества, определил отношения атомных масс ряда элементов: H_2, C, N, O₂, а к же молярных масс ряда простых соединений.

Задание.

Используя гипотезу Авогадро определите, во сколько раз масса молекулы водорода меньше массы молекулы кислорода.

Решение.

Возьмем одинаковые объемы (1m³)  водорода и кислорода, содержащие, по гипотезе Авогадро, одинаковое число частиц (N). Плотность равна произведению массы  m₀ молекулы на  n  (). Плотность водорода равна 0,90 kg/m³, а кислорода – 1,43kg/m³. Следовательно,   = 1,43/0,9 =16.

В 1860г. cобрался первый международный конгресс химиков, на котором ученые узаконили «молекулу»  как термин.

В физике строго научное развитие молекулярной теории началось примерно во второй половине 19 века. Немецкий физик Р. Клаузиус, английский физик Дж. Максвелл и австрийский физик Л. Больцман заложили основы атомно-молекулярной теории.

В начале 20 века над разработкой  атомно-молекулярной теории и ее экспериментальным обоснованием работали такие выдающиеся физики, как А. Эйнштейн, Ж. Перрен, О. Штерн и др. Ими не только были получены неопровержимые доказательства реального существования молекул, но и была создана строгая теория их взаимодействия и движения – молекулярно-кинетическая теория.

Молекула - это  наименьшая электрически нейтральная частица вещества, обладающая основными его химическими свойствами, состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. В том случае, когда молекула состоит из одного атома, понятия молекулы и атома совпадают.

Оппонент.

Предлагаю заполнить анкету для молекул.

1)Имя – молекула (маленькая масса).

2)Назначение в природе: хранитель главного отличительного свойства вещества.

3)Поразительные качества: невероятная малость.

4)Необычные свойства: идентичность (полная одинаковость) с другими представителями того же вещества.

5)Место обитания: любое тело (твердое, жидкое, газообразное).

Из чего сделаны атомы?

Физики утверждают: из ядра, состоящего из протонов (элементарные частицы) и вращающихся вокруг ядра электронов. Благодаря внутренней структуре элементы различаются. Это позволило занести элементы в таблицу, составленную 140 лет назад русским химиком Д.И.Менделеевым в строгом порядке (слайд № 3). Глядя на таблицу можно сказать, атомы каких элементов могут образовать химическую связь; какие атомы, объединяясь, образуют слиток металла, а какие газ.

Атом - наименьшая частица химического элемента, т. е.  частица вещества, неделящаяся при химических реакциях и являющаяся носителем химических свойств элемента. Величие атомистической идеи можно оценить словами крупнейшего физика нашего времени Р. Фейнмана: Если бы все накопленные научные знания оказались уничтоженными и  грядущим поколениям  надо передать одну фразу, несущую наибольшую информацию - это была бы атомная гипотеза: все тела состоят из атомов, находящихся в непрерывном движении, притягиваясь на небольших расстояниях, но отталкиваясь, если одно из них  приближать к другому.

Журналист. У меня к присутствующим есть 3 предложения:

1.           Представить в виде схемы с ее обсуждением ответ на поставленный в докладе вопрос: из чего все сделано?

Ответ:

Оппоненты

2.        Перечислить факты, подтверждающие, что вещество состоит из отдельных частиц.

Оппонент

3.           Соберите попарно лежащие у вас на столе карточки, связывая параметры молекулы с соответствующими  выражениями.

1.                                      a)

2.                          б)

3.                                      в)

4.                                     г)

5.                                     д)

6.                                       е)

7.                                     ж)

Ответы: 1—г:  2—в;   3—д;   4—б;   5—а;    6—е;    7--ж

Группа №2. Как увидеть молекулы?

1827г. английский  ботаник Роберт Броун (1773-1858гг.) заметил нечто необычное. Крошечные частицы пыльцы в воде, если за ними наблюдать в микроскоп не стоят на месте, а все время совершают прыжки. Это непрерывное запутанное блуждание частиц  в объеме жидкости было названо броуновским. Но ведь частицы неживые, двигаться сами по себе,  значит, кто их толкает с разных сторон и весьма сильно. Кто бы это мог быть? (Слайд)       стр. 120 беседы

1905г. Почти 80 лет спустя, Альберт  Эйнштейн (1879-1955) один из величайших ученых 20 века, предложил, что толкают частичку молекулы жидкости, которые в свою очередь, тоже находятся в непрерывном движении. Их очень много, они налетают с разных сторон.  Все это Эйнштейн изложил в знаменитой научной статье о броуновском движении. Он теоретически рассчитал, насколько должны смещаться пылинки, если исходить из того, что их толкают молекулы воды. Сам Эйнштейн сомневался, что кто-нибудь проверит его теорию экспериментально.

Однако 1908-1913г. Французский физик Жан Батист Перрен сумел поставить тончайший эксперимент: он проследил путь тысяч частичек в жидкости и измерил их смещение. Капля эмульсии помещалась в стеклянную кюветку и рассматривалась в микроскоп. Тогда в поле зрения можно было пересчитать видимые частицы. Изменяя высоту подвижной части микроскопа, можно получать четкие изображения частиц в разных слоях эмульсии, расположенных на разных глубинах кюветки.

Результаты полностью соответствовали предсказаниям Эйнштейна. Молекулярная история восторжествовала. Батист Перрен за свои труды был удостоен в 1926г. Высшей научной награды - Нобелевской премии по физике. Изучение броуновского движения позволяет сделать вывод о том, что молекулы обладают кинетической энергией. Броуновское движение явилось одним из наиболее убедительных доказательств правильности основных представлений о молекулах и молекулярном движении.

Журналист:

Предлагаю заполнить таблицу «Этапы изучения броуновского движения» и обсудить ее. Определение броуновского движения записать в тетрадь.

Ответ:

Броуновское движение есть движение отдельных частиц вещества под воздействием ударов молекул среды, совершающих тепловые движения. Эти частицы с молекулярной точки зрения, сами являются макротелами. В результате случайных некомпенсированных ударов молекул броуновские частицы  совершают хаотические отклонения и тем самым перемещаются  по среде, в качестве  которой используют какую-нибудь  жидкость.

Оппонент:

Предлагаю прослушать разговор двух рабочих и высказать свое мнение.

При разборке старых строений, части которых скреплялись кое – где железными болтами, обнаружилось, что гайки невозможно открутить т. к. они срослись с болтами и стали одним целым. Не заржавели, а именно срослись.

С движением частиц связано явление диффузии. Что общего и в чем различие этих явлений: броуновское движение и диффузия?

Журналист:

Предлагаю небольшой аукцион: найти связь между продаваемой вещью и физикой.

1.        Булочка в полиэтиленовом пакете.

2.        Прибор (психрометр).

Стоимость каждого правильного ответа – 1 ум.

Журналист:

Почему броуновское движение не наблюдается для заметных крупиц вещества, например для чаинок, в стакане?

Оппонент:

Это объясняется двумя причинами. Во-первых, число ударов молекул о поверхность  броуновской частицы, пропорционально площади этой поверхности; масса броуновской  частицы пропорциональна её объему. Таким образом, с увеличением размера  R частицы число ударов молекул о её поверхность возрастает по закону  , тогда как масса частицы, которая под действием удара должна сдвигаться с места, увеличивается по закону . Поэтому молекулам становится все труднее и труднее сдвинуть частицу. Легко видеть, что квадратная зависимость преобладает при малых R, а кубическая – при больших R. Следовательно, при малых R должны преобладать поверхностные эффекты, тогда как при больших R должны преобладать объемные эффекты. Во-вторых, броуновская частица должна быть малой, так как необходимо, чтобы были нескомпенсированы удары молекул, т. е число ударов о частицу в единицу времени слева и число ударов в единицу справа должны быть существенно различными. Но отношение указанной разницы числа ударов ко всему числу ударов будет тем больше, чем меньше поверхность частиц.

Группа №3. Охота за веществом.

Еще один, но более совершенный метод, позволяющий увидеть молекулу, появился в 30-х годах прошлого века. Это был электронный микроскоп. Если поток электронов проходит сквозь тончайший слой вещества и попадает на чувствительный экран, то на нем можно увидеть тени составляющих его молекул. Вот вам еще одно доказательство существования молекул.

Сегодня прогресс науки и техники достиг таких невероятных высот, что появились приборы, позволяющие увидеть атомы! Это сканирующие зондовые микроскопы.  В этом микроскопе тончайшая игла, заостренная до одного атома, как будто ощупывает поверхность вещества или материала и передает его изображение на экран. Так удалось рассмотреть атомы золота на золотой пластинке, которые, как и предполагали химики, расположены плотными рядами, шарик к шарику. Удалось рассмотреть самую главную молекулу жизни — молекулу ДНК, на которой  записана вся наследственная информация и которая управляет всеми процессами, происходящими в нашем организме. Так ученые убедились, что молекула ДНК выглядит как длинная цепочка, точнее – спираль. Первая мысль, которая приходит в голову любому настоящему ученому, только что установившему структуру молекулы неизвестного вещества, очень проста – как ее сделать самому. Как повторить природу?!  Получение желаемого вещества из других, имеющихся в нашем распоряжении, называется синтезом. Знаменитый американский химик, нобелевский лауреат по химии Роберт Вудворд сравнивал это занятие с игрой в шахматы  с природой.

Нобелевская премия за простое вещество.

Я расскажу вам историю об одном простом веществе, которое состоит из атомов одного элемента. Элемент этот, хорошо известный вам углерод.  Строение его простое - плоская сетка,  сплетенная из правильных шестиугольных ячеек. Имя у него простое – графен. Тем не менее, за получение изучение свойств этого вещества была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010г. Ее получили Андрей Гейм и Константин новоселов, выпускники Московского физико—технического института, которые в последние годы работают в Манчестерском университете в Великобритании. Физики—теоретики давно и детально описали свойства графена. Вот только получить его не удавалось вплоть до 2004г.  Как же это сделали будущие  нобелевские лауреаты? Очень просто. Взяли подходящий кристалл графита, приложили к  его поверхности обычный скотч и рванули.  Простые решения зачастую оказываются самыми надежными и правильными. К скотчу прилип один-единственный слой графита — столь желанный графен. Сегодня разработано несколько разных способов получения  графена, и теперь это вещество считают одним из наиболее перспективных для будущей электроники.

Наука познает строение вещества. На основе этого познания люди, владеющие техникой, научились создавать новые материалы, которые не могла создать природа, причем не вообще новые материалы, а материалы с заданными свойствами. Но прежде чем люди научились создавать новые материалы, они исследовали внутреннее строение вещества.

Оппонент:

Когда  говорится, что молекулы движутся с огромными скоростями, в этом неявно присутствует вопрос: как можно узнать скорость молекул? (фрагмент опыта Штерна)

Впервые скорость поступательного движения молекул определил экспериментально в 1920г. Немецкий физик О. Штерн. Опыт Штерна заложил основы нового экспериментального метода в физике - метода молекулярных пучков. Рассмотрим одну из схем опыта Штерна. Штерн использовал пары цезия, которые получались в печи, помещенной в сосуд, из которого откачен воздух.

Цезий нагревали до 400 с. Через отверстие К₁ молекулы цезия вылетают в объем В, из которого тоже откачен воздух. Здесь молекулы, почти не испытывают столкновений, долетают до экрана С, где они осаждаются, образуя слой металлического цезия. Диафрагма К₂  вырезает узкий пучок молекул, летящих горизонтально. Если бы не было силы тяжести, то все молекулы двигались бы по прямой линии и попали бы в точку О. Сила тяжести отклоняет молекулы вниз. Они достигают экрана С в точках ниже О. Обозначим расстояние между К₂ и экраном С через S. Молекула, имеющая скорость V, пройдет это расстояние за время  S/V. За это же время она по вертикали сместится на расстояние L=GS²/2V². Таким образом, молекула попадет на экран в некоторую точку F. Расстояние  OF, равное L, хотя и маленькое, но его можно измерить  специальными методами. Опыты показали, что толщина слоя цезия осевшего на экране меняется по высоте. Эти результаты говорят о том, что в пучке молекул цезия имеются молекулы с различными скоростями. Зная расстояние S₁=OF  и  S₂=OD, можно найти интервал значений скоростей молекул, осевших  на экране между точками F и D. Рассмотрим пример. Пусть в результате опыта на экран осела некоторая масса цезия. Предположим, что 35% осевшего цезия находится между точками F и D. Расстояние OF=0,054мм, OD=0,12мм. Найдем интервал, в котором В котором лежали скорости молекул, попавших на экран в промежуток между F и D. Предположим что  S=1м. Тогда рассчитаем скорость молекул, которые попали в точку  D:    V₁= = 200 м/с. В точку F попали самые быстрые молекулы.  Их скорость равна V₂= = 300м/с. Остальные молекулы имели скорость в интервале между V₁  и V₂. Аналогично рассчитывается доля молекул со скоростями в интервале от 300 до 400м/с и т. д. По этим данным можно построить диаграмму распределения молекул по интервалам  скоростей. На рис.

представлена такая диаграмма для молекул цезия при температуре 400⁰C.  На ней представлены относительные количества молекул  имеющих скорости в интервале от 0 до 100м/с, от 100 до 200м/с и т. д. Из диаграммы видно, что наибольшее относительное количество молекул имеет скорости в интервале от200 до300м/с.  Относительные количества молекул, имеющих скорости в других интервалах,-- меньше. Аналогичные распределения скоростей имеют место и в других парах и газах. Движение молекул при наличии такого распределения скоростей можно характеризовать средней скоростью. Средняя скорость получится, если сложить абсолютные значения скоростей всех молекул и разделить сумму на число молекул. Аналогично можно получить и среднюю кинетическую энергию хаотического движения молекул. Следовательно, можно сказать, что в каждом теле молекулы благодаря существованию распределения по скоростям обладают некоторой средней кинетической энергией. В газах — это кинетическая энергия поступательного движения; в твердых телах — это кинетическая энергия колебательного движения; в жидкостях — энергия поступательного и колебательного движений.

Теоретически распределение молекул по их скоростям впервые определил в 1860г. Английский физик Дж. Максвелл. Кривая, характеризующая это распределение, приведена на рис.2

Нетрудно заметить, что форма профиля полоски, полученной в опыте Штерна, в общих чертах соответствует кривой распределения Максвелла. Опыт Штерна проводился при различных температурах печи. При этом обнаружилось, что, чем выше температура, тем больше скорость движения молекул. Из экспериментов по определению скоростей поступательного движения молекул и из теоретического рассмотрения этого вопроса Максвеллом были получены следующие три весьма важных вывода:

1.        Несмотря на хаотичность движения молекул, их распределение по скоростям поступательного движения носит характер определенной закономерности (распределение Максвелла).

2.        Среди молекул газа имеются как очень быстрые , так и очень медленные; но больше всего имеется молекул, движущихся с какими-то средними скоростями.

3.        Распределение молекул по скоростям зависит от температуры; при повышении температуры максимум кривой распределения смещается в сторону больших скоростей.

Журналист:

В одном из опытов скорость поступательного движения молекулы водорода оказалась в промежутке от 1600—2000м/с при комнатной  температуре. Предлагаю провести расчет скорости молекулы водорода,  используя теорию МКТ. Условие:

Определить среднюю скорость движения молекул водорода при температуре 27⁰C. (1930  m/c – ответ).

Оппонент:

Вашему вниманию будут предложены следующие опыты:

1. Капля воды, висящая у водопроводного крана, не отрывается (пока ее вес не станет достаточным для преодоления сил притяжения между молекулами воды).

2. Два свинцовых цилиндра ( неровности не более 10^-6см.)

3. Стеклянная пластинка, смоченная водой (динамометр ).

4.Сжатие жидкости (сообщающееся поршни ).

5. Шар Гравизанда (расширение тел при нагревании)

Прежде чем дать объяснения опытов, предлагаю прослушать доклад  о силах молекулярного взаимодействия.

Группа --4

Взаимодействие между молекулами имеет электромагнитный характер.  Представим себе молекулы в виде диполей (частиц со смещенными относительно центра положительными и

отрицательными зарядами). Сила притяжения между противоположно заряженными частицами удерживает электроны на орбите. Электронная оболочка является барьером, преграждающим доступ во внутренний мир атома, и преодолеть его очень трудно. Поскольку одноименные электрические заряды отталкиваются, то вещество не может слиться в сплошную массу.

Зависимость силы взаимодействия двух соседних молекул

от расстояния между их центрами

Силы притяжения и отталкивания являются коротко - действующими; обнаруживаются на расстояниях порядка собственных размеров молекул Притяжение и отталкивание между молекулами существует одновременно и составляет две противоположные , две противоборствующие стороны единого молекулярного взаимодействия.. При увеличении расстояний между молекулами силы притяжения  и отталкивания быстро убывают, но зависимость их от расстояния различна. Сила притяжения определяется по закону   F=--a/r⁷;   сила  отталкивания по закону F=b/r¹⁴.  В результате существует такое расстояние между центрами молекул, на котором                                                                            равнодействующая этих сил равна нулю. Если r> r₀  преобладает притяжение, r < r₀ преобладает отталкивание. На рис. показаны теоретически найденные кривые, характеризующие изменения сил притяжения и сил отталкивания в зависимости от расстояния между молекулами.  На этом же рис. Показан график изменения результирующей силы. Из графика видно, что на некотором расстоянии r₀ (оно различно для молекул разных веществ) силы притяжения равны силам отталкивания.

 График силы взаимодействия двух молекул позволяет построить график взаимной потенциальной энергии двух молекул.

 В состоянии  устойчивого равновесия частицы обладают минимумом потенциальной энергии (наибольшая глубина впадины). Согласно принципу минимума энергии, взаимодействующие молекулы будут стремиться перейти в состояние с наименьшей из возможных значений энергией. Минимальной энергии будет соответствовать некоторое расстояние между молекулами. Потенциальная энергия взаимодействия молекул при значении должна иметь минимальное значение .На расстоянии r₀ частицы находятся в состоянии устойчивого равновесия. При изменении расстояния между частицами вещества происходит превращение энергии. При уменьшении расстояния между частицами нарушается устойчивое равновесие, при этом происходит работа против сил отталкивания, что приводит к уменьшению кинетической энергии частиц  до нуля. Так что собственно « удара» одной частицы о другую, подобно удару бильярдных шаров, не происходит, хотя мы и говорим о «столкновении частиц вещества». Представление о молекуле как о шарике условно. Модель молекулы — шарик  применима для объяснения явлений, для которых не существенны строение и пространственная структура молекул. В целом зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними представлена на рисунке

 и имеет вид характерной потенциальной ямы, глубина которой определяется величиной  Если полная энергия одной молекулы относительно другой (которую удобно считать покоящейся) меньше глубины потенциальной ямы, первая молекула  может совершать относительно второй только колебательные движения с размахом, равным по ширине потенциальной ямы. Для того, чтобы молекулы могли разойтись, необходимо, чтобы полная энергия была больше глубины потенциальной ямы. Это позволяет качественно охарактеризовать различия между твердыми, жидкими и газообразными состояниями. Величина  --потенциальная энергия молекулы (атома)  наряду с кинетической энергией хаотического теплового движения , которая пропорциональна абсолютной температуре системы , определяет агрегатное состояние вещества.

При невысоких температурах, когда выполняется условие  U_min >> kT, (глубокая потенциальная яма) вещество пребывает в твердом агрегатном состоянии В кристалле молекулы все вместе образуют единую связанную систему. Каждая молекула совершает колебания в общем силовом поле, обусловленном взаимодействием коллектива молекул. Взаимодействие настолько велико, что молекулы незначительно отклоняются от некоторых средних положений равновесия. Частицы располагаются упорядоченно, образуя кристалл.  Если же потенциальная энергия взаимодействия молекул невелика (неглубокая потенциальная яма), а система находится при достаточно высокой температуре и характеризуется большой кинетической энергией теплового движения, так что выполняется условие U_{mi n}<<  kT, вещество находится в газообразном состоянии. Каждая молекула движется свободно от других молекул, испытывая редкие столкновения. При этом молекула участвует в  трех типах движения; поступательном, вращательном (молекула вращается вокруг себя) и колебательном(атомы внутри молекулы колеблются друг относительно друга). Если молекулы одноатомные, то имеет место только поступательное движение.

В промежуточном случае,  когда U_min порядка kT, вещество пребывает в жидком конденсированном состоянии. Молекулы жидкости, по образному выражению  Я. И. Френкеля, ведут двойной образ жизни-- «оседлый» (10^-8С) значительно больше времени одного колебания (10^-12—10^-13с). когда они совершают колебания вокруг некоторого среднего положения   и «кочующий»-- когда они время от времени меняют это положение и переходят на освободившееся. В опытах по рассеиванию рентгеновских лучей обнаружено наличие элементов упорядоченности в расположении атомов жидкости, известное под термином» ближний порядок». Жидкость «течет», изменяет свою форму только в том случае, если продолжительность действия постоянной внешней силы соизмерима с временем «оседлой жизни» молекул, то жидкость  ведет себя как твердое тело. Это свойство       жидкости используется в гидромониторах, применяемых для размывания породы. Струю гидромонитора нельзя «перебить» деревянной палкой. Опасны прыжки в воду с большой высоты. При неудачном прыжке ныряльщик  может получить сильные ушибы. Для жидкости (в отличии от газов)  уравнение состояния пока не найдено из за сложности учета сил взаимодействия молекул.

Современная наука имеет гораздо менее отчетливое представление о строении жидкости, чем о строении газов и кристаллических тел, что объясняется большой сложностью явлений, характеризующих жидкость. По сути дела, полная и строгая теория жидкого состояния еще не создана.

Трудности рассмотрения кристаллов, обусловленные сильным взаимодействием частиц, в значительной степени компенсируются наличием упорядоченной структуры кристаллической решетки. Трудности рассмотрения газов, обусловленные разупорядоченностью положений отдельных частиц, компенсируются слабым межчастичным взаимодействием. В случае же с жидкостью имеют место обе указанные трудности при отсутствии в тоже время соответствующих компенсирующих факторов. Дело в том, что молекулы в жидкости достаточно сильно взаимодействуют друг с другом. Однако учесть энергию этого взаимодействия при отсутствии строгого порядка в расположении молекул в жидкости оказывается весьма сложно, что в значительной степени затрудняет создание теории жидкого состояния.

Журналист:

Почему твердые тела при нагревании расширяются?

Анализ сил притяжения и отталкивания между молекулами поможет ответить на этот вопрос.

На рисунке изображен график двух взаимодействующих молекул. Рассмотрим два случая, отвечающие разным температурам тела. При более низкой температуре молекула совершает колебания около точки A в пределах отрезка A₁A₂. Среднее расстояние между взаимодействующими молекулами (вторую молекулу мысленно поместили в начало координат) есть в данном случае r₀. При более высокой температуре  энергия колебаний повышается; теперь молекула колеблется в пределах отрезка B₁B₂. Положению равновесия теперь соответствует середина отрезка  B₁B₂, т. е. точка B; среднее расстояние между взаимодействующими молекулами оказывается равным r₂ больше r₀. Таким образом, с повышением температуры среднее ( равновесное ) расстояние между молекулами увеличивается, чем и объясняется расширение тела при нагревании.

Оппонент:

Предлагаю  обобщить услышанное с помощью таблицы состояние вещества: твердое, жидкое, газообразное. 

Журналист:

Я хочу уточнить, в каком состоянии будет вещество и как будут вести себя молекулы при следующих ситуациях:

1.

Если бы молекулы обладали только кинетической энергией?

Ответ:

Они бы разлетелись  по всем направлениям (движение молекул хаотическое!) и вещество заняло бы весь доступный ему объем. Единственно возможным состоянием вещества было бы газообразное состояние.

2.

Взаимодействие молекул  характеризуется потенциальной энергией. Она зависит от расстояния между молекулами. Если бы молекулы обладали только потенциальной энергией?

Ответ:

 Они заняли бы друг относительно друга такие положения, чтобы сумма сил, действующих на каждую молекулу со стороны ее соседей, была равна нулю. При этом потенциальная энергия взаимодействия молекул была бы минимальной. Единственным возможным состоянием вещества было бы твердое состояние.

Журналист:

Но молекулы движутся и взаимодействуют одновременно, и, следовательно, они обладают и кинетической и потенциальной энергией. Поэтому быть ли телу твердым, жидким или газообразным, зависит от соотношения обоих видов энергии. А изменение этого соотношения и приводит к переходу вещества из одного состояния в другое.

Оппонент -1.

Твердое состояние — это состояние, в котором потенциальная энергия W_p взаимодействия молекул подавляюще велика по сравнению с кинетической W_k:  (W_p >> W_k) .

Как можно изменить это соотношение?

Оппонент-2:

Ответ-1.

 Например, нагревая твердое тело. Ясно, что при нагревании увеличивается кинетическая энергия частиц тела, а их потенциальная энергия при этом практически не изменяется. Таким образом, можно добиться того, чтобы кинетическая энергия стала примерно равной потенциальной. Тогда и произойдет переход из твердого состояния в жидкое, для которого характерно примерное равенство W_p и W_k:

В этом состоянии потенциальная энергия еще достаточно велика, чтобы молекулы не могли разлететься друг от друга, а кинетическая энергия уже достаточно велика, чтобы молекулы приобрели определенную подвижность, то есть возможность перемещаться внутри объема. Жидкость сохраняет свой объем, но становится текучей и поэтому не сохраняет своей формы.

Ответ-2

Будем продолжать поставлять энергию, нагревая теперь уже жидкость. Кинетическая энергия молекул будет расти и в какой-то момент превзойдет потенциальную энергию их взаимодействия настолько, что ею (потенциальной энергией) можно будет пренебречь: (W_p << W_k) .

Вещество перейдет в состояние, которое соответствует идеальному газу.

Журналист:

А что если продолжать нагрев, теперь уже газа?

 Приведет ли дальнейший рост кинетической энергии молекул к еще одному агрегатному переходу?

Ответ-3

 Оказывается, да. Но только потому, что молекулы (атомы) это не просто очень маленькие шарики. Они представляют собой сложные системы заряженных частиц, еще меньших, чем атомы, размеров. При достаточно высокой температуре газа столкновения его частиц приводят к тому, что молекулы разваливаются на атомы, а атомы — на составляющие их заряженные частицы. В результате получается особого рода вещество, состоящее из одинакового числа положительно и отрицательно заряженных частиц (в целом — электрически нейтральное). Это и есть четвертое состояние вещества — плазма. В отличие от других агрегатных состояний плазма состоит из электрически взаимодействующих друг с другом частиц. Вот почему свойства плазмы существенно отличаются от свойств вещества в других состояниях.

Журналист: при выводе основного уравнения МКТ идеализация—метод

 научного познания, прокладывающий  путь к решению трудных задач. Такой задачей является установление количественной связи между измерениями на опыте величинами (давление, температура и др.) и свойствами самих молекул, их числом и скоростью движения. В уравнениях используется упрощенная модель реального газа – идеальный газ. Идеальный газ остается газом при любых условиях. Хотелось бы уточнить верно, ли замечание об отсутствии взаимодействии молекул в модели – идеальный газ.

Оппонент:

Если мы введем обозначение:

U – Внутренняя энергия газа к примеру N молекул.

 – потенциальная энергия взаимодействия молекул.

 - средняя кинетическая энергия молекул.

То в идеальном газе пренебрегают не самим взаимодействием молекул, а энергией взаимодействия, в результате чего внутренняя энергия «U» газа представляется как сумма кинетических энергий молекул:   для одноатомного газа .

Журналист:

Всегда ли можно пренебречь энергией взаимодействия молекул?

Оппонент.

Не всегда, а если выполняется условие,  т.е. необходимо потребовать увеличение энергиями  и уменьшение . Первое достигается при достаточно высоких температурах, второе – при достаточно сильном разряжении газа. Иными словами, газ можно рассматривать как идеальный, если он достаточно нагрет и разряжен.

При охлаждении и сжатии газа придем к ситуации, когда необходимо  учитывать энергию взаимодействия.

Такие газы как азот или кислород в обычных условиях (близких к нормальным) с хорошей точностью можно рассматривать как идеальные газы.

Журналист:

 Представьте себе, что имеется некоторое количество газа. Какие параметры определяют его состояние?

Группа- 5.

 P – давлении , V – объем, T – температура, N – число молекул.

Между этими параметрами существует связь. Выражение, описывающее эту связь, называется уравнением состояния идеального газа

  - уравнение состояния идеального газа  (1)

 ; 

 - уравнение Менделеева- Клапейрона    (2)

  Оба выражения (1; 2) описывают связь между параметрами одного и того же  состояния.

Знание теории и вытекающие из нее следствия позволили создать на их основе конкретные технические установки.

ТЕОРИЯ

Возможность несколькими способами изменять давление газа

m   V   T

Амортизатор Шины Тепловые двигатели

Предлагаю заполнить таблицу, используя уравнение состояния газа.

Ответы:

1)       15,98 кг

2)       0,03 м³

3)     

4)    

5)       150  К

Журналист:

Что описывают газовые законы?

Оппонент;

Они описывают какие- либо изменения состояния газа и устанавливают связь между параметрами исходного состояния и параметрами конечного состояния.

Журналист:

« О каких газовых законах Вы могли бы рассказать? «Предлагаю заполнить таблицу»

Постоянный параметр	Название изопроцесса	Связь с другими параметрами	Объяснение связи между параметрами с точки зрения МКТ	График изопроцесса
1	2	3	4	5
T=const	Изометрический (закон Бойля- Мариота) Английский  ученый Р. Бойль и  французский ученый Э. Мариотт.	pV= const или p~ p1V1= p2V2	Давление газа зависит от числа ударов молекул о стенки сосуда. Число же ударов прямо  пропорционально числу частиц в единице объема n (n= ) При расширении объем газа увеличивается, а концентрация уменьшается. Давление газа p~n. Следовательно, давление газа уменьшается, и    p ~  .	Р                 0                         V P           0                   T      V         0                        T
V = сonst	Изохорный (закон Шарля, 1787 г.) Французский ученый Ж. Шарль.	= const p~ T 11= 22   или 12 =12	m0N= const p~ v2 Eк= m0v2/2 E=  KT p=  nE2 p~ E~ v ~ T	P         0                   T P                        0                         V V                                      т 0
P= const	Изобарный (закон Гей-Люссака, 1802 г.) Французский ученый Гей—Люссак.	V/T= const V~ T V1/T1= V2T2 или V1/V2= T1T2	p= 1/3m*N/V* v2 V= m0N/3p V~ v2~ E~ T V~T	VV             0                                                        P           0          V     T             0                          P

Журналист:

Применим ли закон Бойля—Мариотта к двум состояниям воздуха в игрушечном резиновом шаре в процессе его надувания? ( Ответ: нет т. к. масса газа увеличивается).

Оппонент:

Предлагаю для закрепления рассмотреть замкнутый цикл с переводом его  в  новую систему координат.

Журналист:

«Предлагаю итогом конференции сделать заполнение обобщающего конспекта. Формой конспекта можно взять дерево знаний и назвать « основы МКТ»

Подведем итог конференции:

1.   Мы убедились в том, что наука развивается усилиями ученых многих  стран,  т. е. она по своему характеру интернациональна.

2.   Прослеживается диалектический путь познания: от живого созерцания, к абстрактному мышлению и от него к практике.

3.   Человек постепенно познает объект, умножая, расширяя познания о нем, изучает частные закономерности, а от них переходит  к общим.

4.   Статистические закономерности управляют системами, состоящими из огромного числа объектов, подверженных случайным событиям.

5.   МКТ связывает свойства вещества с движением и взаимодействием молекул.

6.   МКТ выводит уравнения устанавливающие связь между макроскопическими и микроскопическими параметрами.

7.   МКТ  служит научной основой современного материаловедения, вакуумной технологии, порошковой  металлургии, холодильной техники.