Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ)
и их опытное обоснование.
Цели урока:
Образовательные:
сформулировать основные положения МКТ;
раскрыть научное и мировоззренческое значение броуновского движения;
установить характер зависимости сил притяжения и отталкивания от расстояния между молекулами; учиться решать качественные задачи;
Развивающие:
развивать умение применять знания теории на практике; наблюдательность, самостоятельность; мышление учеников посредством логических учебных действий, умение извлекать информацию и делать выводы
Воспитательные: продолжить формирование представлений о единстве и взаимосвязи явлений природы.
Планируемые результаты:
Знать: основные положения молекулярно кинетической теории и их опытные обоснования; понятия диффузии, броуновского движения.
Уметь: формулировать гипотезы и делать выводы, решать качественные задачи.
Тип урока: урок – семинар, изучение нового материала
Регламент: 2 урока
Комплексно-методическое обеспечение: мультимедийный проектор, компьютер, экран, рисунки с описанием опытов, приборы для опытов.
Пояснительная записка.
Класс разбивается на 3 группы по 4-5 человек. Каждая группа получает задание подготовить рассказ об опытном обосновании одного из положений МКТ. Роли между собой распределяют самостоятельно: один готовит теоретический материал, другой – презентацию (или слайды для интерактивной доски), остальные – готовят опыты. Так как материал в общих чертах ребятам уже знаком (по 7 классу), задание вполне им по силам.
В течение недели каждая группа должна выполнить свое задание.
На уроке каждая группа получает на выступление по 20 минут.
После выступления ребят (которое конспектируется всеми остальными) идет 5-минутное обсуждение и ответы на вопросы товарищей
Затем вопросы задает учитель (всем, в том числе и творческой группе)
В конце урока учитель подводит итоги, делает общие выводы
Вступление учителя
Американский физик Рейман считал, что «…Если человечество и плоды его трудов исчезнут и для будущих поколений разрешено будет оставить одну фразу, то это будет следующее:
А) Вещество состоит из частиц;
Б) Частицы движутся;
В) Взаимодействуют между собой»
Все вещества состоят из частиц: молекул, атомов, ионов, между которыми есть промежутки.
Опыты
1) Механическое дробление (мел, пластилин)
2) Растворение вещества (марганцовка, сахар)
3) Смешивание разных жидкостей (воды и спирта) показывает, что объём смеси меньше суммарного объёма, занимаемого двумя жидкостями до их смешивания. Это можно объяснить тем, что между молекулами жидкостей есть пустоты, и при смешивании жидкостей молекулы одной из них проникают в свободное пространство между молекулами другой жидкости.
При нагревании тела расширяются (промежутки между молекулами увеличиваются, размеры молекул не изменяются)
4) Опыт. Нагреваем стальной шарик, который в не нагретом состоянии спокойно проходит сквозь стальное кольцо. После нагревания шарик застревает в кольце. Остыв, шарик проваливается в кольцо.
5) Колбу, в которую вставлена резиновая пробка со стеклянной трубкой, устанавливают так, что конец трубки оказывается опущенным в воду. При нагревании колбы воздух, находящийся в ней, расширяется и начинает выходить из неё. Об этом можно судить по пузырькам, которые образовываются на конце трубки опущенной в воду, отрываются и всплывают. После прекращения нагревания, вода, находящаяся в стакане, начнет подниматься по трубке и заполнять колбу.
Ввод: Газы, как и твердые тела, при нагревании также увеличиваются в объеме, а при охлаждении уменьшаются в объеме.
Примеры веществ, состоящих из различного числа атомов:
1-атомные: инертные газы (Не, Ne…); металлы.
Анальгин-38 атомов
Белки-тысячи атомов
Полимеры-десятки тысяч атомов
Каучук-1/2 миллиона атомов
Размеры молекул. Размеры молекул очень малы (порядка 10 нм)
объем капли оливкового масла V=1мм² растекается по площади 0,6м²
толщина слоя h=V/S =1,7∙10^-7см (порядка 6 молекул)
dмолекул = 10нм
Число молекул. Число молекул даже в небольшом объеме огромно (например, в наперстке воды порядка 1023 молекул)
Капля воды m=1г занимает объем V=1см³
Одна молекула занимает объем V0 ≈ d³ ≈ 27∙10^-24см³
Число молекул N=V/V0 = 3,7∙10^22
Масса молекул.
m0=m/N= 1г/3,7∙10^22≈ 27∙10-23 г m0≈10^-26 кг
Относительная молекулярная масса – сравнивается с 1/12 массы атома углерода.
Мr = 12 m0 / mс
1 аем = 1,66∙10^-27 кг
Количество вещества
1 моль – количества вещества, в котором содержится столько же атомов (молекул), сколько в 12г углерода.
Число Авогадро NА – число молекул в 1 моле вещества.
NА = 6,02∙1023
Количество вещества ν – число молей ν = N/NА=m/M
Молярная масса М – масса 1 моля М = m0 NА (Определяется по таблице Менделеева в г/моль)
Масса 1 молекулы m0=М/ NА
Вопросы:
В каком всем известном приборе используется тепловое расширение жидкостей? (в термометре)
Приведите примеры теплового расширения (провисание проводов летом)
Зачем между рельсами оставляют зазор? (чтобы при тепловом расширении летом они не деформировались)
II. Молекулы беспорядочно и непрерывно движутся
Опытные обоснования: диффузия; броуновское движение.
Диффузия – взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Примеры: распространение запахов; засолка овощей и др
Диффузия происходит благодаря хаотическому движению молекул. При нагревании скорость диффузии повышается, т.к. увеличивается интенсивность беспорядочного движения молекул. Нетрудно понять, что притяжение молекул препятствует диффузии, поэтому диффузия в твердых телах происходит очень медленно; для ее ускорения необходимо разогреть две поверхности и сильно прижать друг к другу. Диффузию – самопроизвольное перемешивание веществ за счет движения молекул - надо отличать от принудительного перемешивания веществ. Когда мы перемешиваем ложечкой сахар в чае − это не диффузия. Казалось бы, по скорости диффузии можно сделать вывод и о скоростях молекул. Проходят часы, прежде чем частицы марганцовки распространятся на несколько сантиметров в воде. Несколько минут нужно, чтобы почувствовать запах духов, разлитых на расстоянии нескольких метров.
Броуновское движение – движение частиц, вызванное ударами молекул Например: пылинки в неподвижном воздухе. Причина броуновского движения: удары молекул не компенсируются.
Одним из первых непосредственных доказательств наличия теплового хаотического движения частиц в веществе явилось открытие в 1827 английским ботаником Броуном так называемого броуновского движения. Оно заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, которое не зависит от внешних причин и оказывается проявлением внутренних движений в веществе. Броуновское движение вызывается толчками, испытываемыми взвешенными частицами со стороны окружающих молекул, находящихся в тепловом движении. Эти толчки никогда в точности не уравновешивают друг друга, поэтому под влиянием ударов молекул окружающей среды скорость броуновской частицы непрерывно и беспорядочно меняется по величине и направлению. Последнюю точку в дискуссии о непрерывности и дискретности материи поставила теория броуновского движения, разработанная Эйнштейном и Смолуховским в 1905 году и экспериментально подтвержденная Перреном в 1912 году. Это явление состоит в том, что мелкие частицы, взвешенные в жидкости или газе, совершают беспорядочные молекул. Возможность изучения движения этих частиц существенно зависит от их размеров. Слишком крупные частицы могут только колебаться, слишком мелкие частицы движутся почти так же быстро, как и молекулы, и плохо поддаются наблюдениям. Размеры броуновских частиц в тысячи раз превышают размеры молекул, поэтому они видны в обычный микроскоп и за их скачками удобно следить. Понятно, что при нагревании интенсивность броуновского движения повышается. Скорость движения связана с температурой.
Опыт Штерна (1920)
Если цилиндры неподвижны, то атомы попадают в точку n.
При вращении цилиндров со скоростью ω атомы попадают в точку n1. Так как скорости атомов неодинаковы, то полоска размыта.
Время прохождения молекулой расстояния ℓ равно времени поворота диска 2 на угол α.
ℓ/υ = α/ω;
υ = ℓ ω /α
Скорость молекул серебра 600м/с.
Распределения молекул по скоростям
Здесь будет изображение: /data/edu/files/e1453030720.jpg (550x391)
График распределения молекул по скоростям. Английский физик Дж. Максвелл и австрийский физик Л. Больцман. Кривая распределения Максвелла соответствует результатам, полученным в опыте Штерна. Количество частиц, имеющих скорости в интервале Dυ, равно DN, υ - одна из скоростей этого интервала. Из графика видно, что количество частиц, имеющих скорости в равных интервалах Dυ1 и Dυ2, различно. Скорость, около которой расположены наиболее «населенные» интервалы,— наиболее вероятная скорость теплового движения молекул.
υнв наиболее вероятная скорость; υср средняя скорость
∆N – число молекул со скоростью в интервале от υ + ∆υ; ∆υ = υ ∆α / α
Основные выводы
1. Распределение по скоростям имеет определенную закономерность.
2. Среди молекул газа имеются как очень быстрые, так и очень медленные молекулы.
3. Распределение молекул по скоростям зависит от температуры.
4. Чем больше Т, тем больше максимум кривой распределения смещается в сторону больших скоростей.
Опыты
6) Брызгают дезодорантом и все в классе чувствуют запах
7) В колбу помещают листочки бумаги, смоченные фенолфталеином – веществом, которое при соединении с аммиаком окрашивается в оранжевый цвет. Это свойство фенолфталеина служить индикатором присутствия аммиака, демонстрируем предварительно на отдельном листочке бумаги, смоченным этим веществом. После этого у горлышка колбы закрепляют ватку с аммиаком. Через некоторое время листочки бумаги, смоченные фенолфталеином, окрашиваются в оранжевый цвет
8) Окрашивание воды марганцовкой
В различных агрегатных состояниях характер этого движения различен:
• в твердых телах молекулы колеблются вблизи положений равновесия; твердые тела
сохраняют форму и объем (их трудно деформировать);
• в жидкостях молекулы колеблются почти так же, как в твердых телах, но сами
положения равновесия постоянно перемещаются (молекулы жидкости – это
"кочевники"); жидкости имеют конечный объем и мало сжимаемы;
• в газах молекулы свободно и хаотически (беспорядочно) движутся; газ занимает
весь предоставленный ему объем.
Благодаря различию в молекулярном строении вещества, находящиеся в различных
агрегатных состояниях, ведут себя по-разному. Так, при одинаковых температурах
диффузия в газах происходит в десятки тысяч раз быстрее, чем в жидкостях, и в
миллиарды раз быстрее, чем в твердых телах.
Вопрос:
Почему так мала скорость диффузии в газах, если молекулы имеют столь большие скорости?
Объясните процесс сварки металлов путем их расплавления или путем давления
Объясните изменение плотности земной атмосферы с высотой. (Диффузия газа в гравитационном поле)
III.Молекулы взаимодействуют.
Молекулы взаимодействуют друг с другом: между ними действуют силы отталкивания и притяжения, которые быстро убывают при увеличении расстояний между молекулами. Природа этих сил электромагнитная. Силы притяжения препятствуют испарению жидкости, растяжению твердого тела.
При попытке сжать твердое или жидкое тело мы ощущаем значительные силы отталкивания.
В притяжении молекул легко убедиться при наблюдении опытов, связанных с поверхностным натяжением и смачиванием.
Опыты
9) Сжатие и растяжение тел (пружина)
10) Соединение стальных цилиндров
11) Опыт с пластинками и водой (Смачивают две стеклянные пластинки и прижимают их друг к другу. После пытаются их отсоединить, для этого прилагают некоторые усилия).
12) Явление отсутствия смачивания монетка, смазанная маслом, плавает на поверхности воды
13) Капиллярные явления – подъем подкрашенной воды в капилярах
Вопрос:
Объясните действие клея.
Пофантазируйте:
что было бы, если бы между молекулами не существовало сил притяжения?
что было бы, если бы между молекулами не существовало сил отталкивания?
