Рисунок 3

1
Урок № 3
Тема урока: Взаимодействие атомов и молекул вещества в разных
агрегатных состояниях. Опыт Штерна
Цель: Рассмотреть особенности взаимодействия, строения и свойств
молекул и атомов в различных агрегатных состояниях с точки зрения молекулярно-кинетической теории, познакомиться с одним из методов определения скорости движения молекул – опытом Штерна, научиться решать задачи
План изучения нового материала
1. Особенности взаимодействия, строения и свойств молекул и атомов в
различных агрегатных состояниях с точки зрения молекулярнокинетической теории.
2. Опыт Штерна
3. Решение задач
Изучение нового материала
Агрегатные состояния вещества определяются расположением, характером движения и взаимодействием молекул и атомов. Молекулы одного и
того же вещества в различных агрегатных состояниях - одинаковы.
Вещества
Критерии
сравнения
Газообразные
Летучие и
текучие
Не
Свойства
Жидкие
Твёрдые
Текучие
Малая текучесть
(у аморфных тел)
сохраняют Сохраняют соб- Сохраняют
соб-
объём, занимают ственный объём, ственный объём,
весь
предостав- плохо сжимают- трудно поддают-
ленный им объ- ся
ём,
легко сжи-
маются
ся деформации
2
Не
сохраняют Не
сохраняют Сохраняют фор-
собственную
собственную
форму
форму,
му, но в резуль-
прини- тате деформации
мают форму по- могут
суды
изменить
форму
Состоят из
Имеют ближний Имеют
Характер
хаотично
порядок в
порядок в распо-
упаковки
расположенных
расположении
ложении
частиц
частиц
(кристаллическая
частиц
дальний
частиц
решётка)
Движутся
Совершают
свободно,
лебательные
Характер
непрерывно
движения
хаотично
ко- Совершают колебательные
дви-
и движения и хао- жения возле потично движутся. ложений
частиц
Время
равно-
колеба- весия. Время ко-
ний – мало
лебаний – велико.
Среднее
расстояние
между молеку-
Огромные
Малые
Очень
расстояния,
расстояния,
расстояния
r ~ 3,3 нм
r~ 0,2нм÷0,3 нм r ~ 0,1 нм
𝒓г ≫ 𝒓ж > 𝒓т
лами и атомами
Легко
Диффузия
переме- Не все жидкости Самопроизвольно
шиваются между легко
переме- не
Очень большие
ду собой
Средние
движения
молекул
перемешива-
собой в любых шиваются меж- ются
пропорциях
Скорости
малые
𝒗г > 𝒗ж > 𝒗т
Малые
3
Силы
Малые
Средние
Очень большие
взаимодействия
𝐹г < 𝐹ж < 𝐹т
частиц
Выполняются
Законы
Выполняются
Выполняются за-
законы Паскаля законы Паскаля кон Гука
и Архимеда
и Архимеда
Для данной
массы и одинаковой темпера-
𝑈г > 𝑈ж > 𝑈т
туре внутренняя энергия
Плазма – четвёртое состояние вещества – сильно ионизированный газ
под действием высоких температур. Плазма – самая распространённая форма
существования вещества во Вселенной. Солнце и звёзды – гигантские сгустки плазмы. Верхние слои земной атмосферы, ионосфера, под действием
внешних ионизаторов (ультрафиолетового излучения Солнца и звёзд, космических лучей) – слабо ионизированная плазма. Пламя костра, светящийся
столб газа в рекламных газосветных трубках, ламах дневного света – всё это
примеры плазмы.
Силы взаимодействия между молекулами
Молекулы взаимодействуют друг с другом. Без этого взаимодействия
не было бы ни твердых, ни жидких тел.
1. r = d => F = 0, где r – расстояние между центрами частиц,
d – диаметр частиц, F – cила взаимодействия между молекулами. (Рисунок 1)
Рисунок 1
2. r → ∞ => F → 0 (Рисунок 2)
Рисунок 2
4
3. r > d => 𝐹пр > 𝐹от (Рисунок 3)
 притяжение между молекулами (атомами) в разРисунок 3
ных веществах неодинаково => различная прочность тел (сталь прочнее меди)
 становится заметным при r ≈ d
 проявляется при склеивании деталей, сварке, сли-
Рисунок 4
пании тел.
4. r < d => 𝐹пр < 𝐹от (Рисунок 4), где 𝐹пр – силы притяжения, 𝐹от - силы отталкивания, проявляется при деформации: сжатое тело распрямляется.
На
зависимость
рисунке
5
сил
приведена
качественная
межмолекулярного
взаимодействия от расстояния r между молекулами,
где F — результирующая сил отталкивания и притяжения.
Рисунок 5
Опыт Штерна
Решающими для доказательства МКТ были опыты, в которых непосредственно определялись отдельные молекулы или атомы, а так же измерялась
скорость их движения. Одним из фундаментальных экспериментов по определению скорости движения молекул был проведён О. Штерном (1888-1969)
в 1920.
Рисунок 8
5
Рисунок 6
Рисунок 7
Прибор Штерна состоял из двух цилиндров разных радиусов (рис. 6),
закрепленных на одной оси. Внутри цилиндров был создан вакуум. Вдоль
оси натягивалась платиновая нить, покрытая тонким слоем серебра. При
пропускании по нити электрического тока она нагревалась до высокой температуры, серебро испарялось. В стенке внутреннего цилиндра была сделана
узкая продольная щель, через которую проникали движущиеся атомы металла, осаждаясь на внутренней поверхности внешнего цилиндра, образуя хорошо наблюдаемую полоску. Цилиндры вращались с постоянной угловой
скоростью (рис. 7). Атомы, прошедшие сквозь прорезь, оседали не напротив
щели, а смещались на некоторое расстояние, так как за время их полета
внешний цилиндр успевал повернуться на некоторый угол. Зная величины
радиусов цилиндров, скорость их вращения и величину смещения, можно
найти скорость движения атомов (рис. 8). Если бы все атомы двигались с
одинаковой скоростью, то при вращении установки полоска на стенке внешнего цилиндра получалась бы точно такой же тонкой, как и в случае, когда
установка не вращалась. Но при вращении полоска, образованная осевшими
на стенку цилиндра атомами, оказывалась размытой. Значит, скорости атомов были разными.
Скорость движения молекул (атомов) u =
𝜔𝑅2 (𝑅2 − 𝑅1 )
𝑙
В таблице приведены средние скорости движения молекул при температуре t = 0 ℃ и нормальном атмосферном давлении
p = 760 мм рт. ст. = 101325 Па
Газ
Скорость движения,
Азот
454
Водород
1693
м
с
6
Гелий
1200
Кислород
425
Углекислый газ
362
Пары воды
566
Скорость движения молекул зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше скорость движения.
Решение задач
4. Расчётные задачи:
№ 1. Каково будет смещение полоски металла в приборе Штерна при
частоте вращения 𝝑 = 20
об
дра
Радиусом
𝑅2 =
10
см.
с
м
, если скорость атомов 𝒗 = 300 . Радиус цилинс
малого
цилиндра
𝑅1
пренебречь.
Решение:
𝒗=
𝝎 𝑹𝟐 (𝑹𝟐 − 𝑹𝟏 )
𝒍
l – смещение полоски металла в приборе,
𝝎 – циклическая частота вращения цилиндров, 𝝎 = 2 𝝅 𝝑
Если пренебречь радиусом малого цилиндра, то формула приобретет следующий вид: 𝒗 =
𝝎 𝑹𝟐𝟐
𝒍
Преобразуем формулу:
l =
𝝎 𝑹𝟐𝟐
𝒗
Подставим численные значения: l =
=
𝟐 𝝅 𝝑𝑹𝟐𝟐
𝒗
об
∙ 𝟏𝟎−𝟐 м𝟐
с
=
м
𝟑𝟎𝟎
с
𝟐 ∙ 𝟑,𝟏𝟒 ∙ 𝟐𝟎
0,0417 м = 4,17 см
Ответ: смещение полоски l = 4,17 см
Домашнее задание
Задания для самостоятельной работы
1.
Прочитать § 14 [1]; § 18 стр. 174-176, 204-205 [3]
7
2. Ответить на вопросы:
a. Какие опыты доказывают, что между молекулами твёрдых и жидких тел действуют силы притяжения и отталкивания
b. Объяснить возникновение сил упругости в твёрдых телах при их
растяжении и сжатии.
c. Что можно сказать о размерах, составе и силах взаимодействия молекул одного и того же вещества в разных состояниях? Ответ пояснить.
d. Почему в опыте Штерна воздух из цилиндров откачивался до высокого вакуума?
e. Изображение щели в опыте Штерна получалось размытым, о чём
это свидетельствует?
3.
Решить качественные задачи:
a. Две стеклянные пластинки трудно оторвать друг от друга, если
между ними есть немного воды. Если же стёкла сухие, то они отделяются друг от друга без труда. Почему?
b. Почему полировка трущихся поверхностей может привести не к
уменьшению трения, а, наоборот, к увеличению?
c. Вода легко удаляется с чистой поверхности стекла. Удалить с той
же поверхности жир практически невозможно. Как это объяснить с
молекулярной точки зрения?
d. Чем объяснить, что пыль не спадает даже с поверхности, обращённой вниз?
e. Почему слышен хруст при разламывании прутика?
f. Объясните с точки зрения физики японскую пословицу: «Форма
жидкости зависит от сосуда, характер человека от его друзей».
8
g. О кристалле Плиний писал: «… гладкость боков его так совершенна, что никоим искусством произвести невозможно». Почему кристаллы имеют правильную геометрическую форму.
4. Решить задачи:
№ 1. При постановке опыта Штерна, прибор с радиусами цилиндров
12 мм и 240 мм вращался с частотой 3000
1
мин
, а смещение полоски серебра
равнялось 9,5 мм. Какова была скорость атомов серебра?
№ 2. При проведении опыта Штерна полоска серебра получалась несколько размытой, так как при данной температуре скорости молекул неодинаковы. По данным определения толщины слоя серебра в различных местах
полоски можно рассчитать доли атомов со скоростями, лежащими в том или
ином интервале скоростей, от общего их числа. В результате измерений получена следующая таблица:
Интервал скоростей,
м
с
Доля атомов, %
0 – 100
1,4
100 – 200
8,1
200 – 300
16,7
300 – 400
21,5
400 – 500
20,3
500 – 600
15,1
600 – 700
9,2
700 – 800
4,8
800 – 900
2,0
900 – 1000
0,6
более 1000
0,3
На основании этой таблицы построить график распределения атомов
серебра по скоростям (при температуре 1446 ℃). Как изменится вид графика
при уменьшении интервалов скоростей?
9