Опыт бриджмена просачивание масла через сталь. План-конспект урока по физике (10 класс) на тему: "Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное подтверждение."

Тема 1. Основы молекулярно - кинетической теории

Основные положения МКТ

1.Все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки.

2.Частицы в любом веществе непрерывно и хаотично движутся.

3.Частицы взаимодействуют друг с другом.

Некоторые опытные обоснования этих положений

Косвенные доказательства:

1. сжимаемость тел при деформации (особенно хорошо сжимаются газы, при этом уменьшаются расстояния между их частицами);

2. дробление вещества (пределом дробления в молекулярной физике являются молекула или атом);

3. расширение и сжатие тел при изменении температуры (изменение расстояния между молекулами);

4. испарение жидкостей (переход отдельных молекул жидкости в газообразное состояние);

5. диффузия – взаимное проникновение соприкасающихся веществ, обусловленное хаотичным движением молекул: быстрее всего самопроизвольное перемешивание веществ происходит в газах (минуты), медленнее в жидкостях (недели), очень медленно в твёрдых телах (годы), диффузия ускоряется с увеличением температуры;

6. броуновское движение – беспорядочноедвижение очень маленьких частиц твёрдого тела, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе, непрерывное, неуничтожимое, зависящее от температуры: становится интенсивнее при её увеличении. Объясняется тем, что каждая броуновская частица находится в окружении хаотично движущихся молекул, толчки которых приводят к её беспорядочному движению;

7. слипание свинцовых цилиндров, прилипание стекла к воде (происходят за счёт притяжения молекул);

8. сопротивление растяжению и сжатию, малая сжимаемость твёрдых тел и жидкостей доказывают то, что молекулы взаимодействуют.

Прямые доказательства:

1. наблюдение строения вещества в электронный микроскоп, фотографии отдельных больших молекул;

2. опыт Бриджмена (просачивание масла через стальные стенки сосуда под давлением атм.);

3. измерены параметры атомов и молекул – диаметр, масса, скорость.

Размеры атома порядка или см

Силы взаимодействия молекул – это силы притяжения и отталкивания. Причина возникновения сил - электромагнитные взаимодействия электронов и ядер соседних молекул: отталкивание

+ - отталкивание- +

притяжение

Силы межмолекулярного взаимодействия короткодействующие: они действуют на расстояниях, сравнимых с размерами молекул или атомов. Эти силы зависят от расстояния между этими частицами:

1. на расстоянии равном диаметру молекулы силы притяжения и отталкивания молекул равны, результирующая сила молекулярного взаимодействия равна нулю

= ,

2. на расстоянии чуть больше диаметра молекулы силы притяжения преобладают над силами отталкивания, в результате между молекулами действует сила притяжения

Сила притяжения;

3. на расстоянии меньше диаметра молекулы силы отталкивания преобладают над силами притяжения, в результате между молекулами действует сила отталкивания

Сила отталкивания;

4. на расстоянии много больше размеров молекул силы притяжения и отталкивания прекращают действовать

5. при сближении молекул, когда причём сила отталкивания растёт быстрее, результирующая сила взаимодействия молекул , проявляясь в виде силы отталкивания, становится бесконечно большой.

Основные понятия МКТ

1.Абсолютная масса молекулы ( )

Абсолютная масса молекулы или просто масса молекулы вещества очень мала, например, ( O) .

2.Относительная молекулярная масса ( ) – отношение массы молекулы данного вещества к массы атома углерода : = ;

= ( - атомная единица массы).

Зная химическую формулу вещества, можно найти относительную молекулярную массу как сумму относительных масс атомов, из которых состоит молекула. Относительные атомные массы веществ берутся в таблице Менделеева. Например, () = 16 ·2 =32; () =1·2 + 16 =18.

3.Количество вещества ( – отношение числа молекул данного вещества к постоянному числу Авогадро : ; – постоянная Авогадро показывает, сколько молекул содержится в одном моле любого вещества, = .

Моль – количество вещества, содержащееся в 12г углерода .

4.Молярная масса вещества ( ) – масса одного моля вещества : Молярную массу можно найти, зная, что = кг/моль. Например, = кг/моль; O) = 18 кг/моль.

5.Масса вещества ( : N;

6.Число молекул или атомов( : ;

Агрегатные состояния вещества (фазы вещества)

твёрдое жидкое газообразное плазменное

Фазовый переход – переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Например, при нагревании твёрдое вещество можно перевести в жидкое состояние, жидкое в газообразное, а газ в плазменное состояние. Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, т. е. электронейтральная система, состоящая из нейтральных атомов и заряженных частиц (ионов, электронов и т. д.)

В молекулярной физике изучаются три фазы состояния вещества: газ, жидкость и твердое тело. Основные свойства газов: 1. не имеют постоянного объёма, занимают весь предоставленный, неограниченно расширяясь; 2. не имеют постоянной формы, принимают форму сосуда; 3. легко сжимаются; 4. оказывают давление на все стенки сосуда.

Основные свойства жидкостей: 1. сохраняют постоянный объём; 2. не имеют постоянной формы, принимают форму сосуда; 3. практически не сжимаемы; 4. текучи.

Основные свойства твёрдых тел: 1. имеют постоянный объём; 2. сохраняют постоянную форму; 3. имеют правильную геометрическую форму кристаллов.

Свойства веществ в различных агрегатных состояниях можно объяснить, зная особенности их внутреннего строения.

Чтобы осознать, зачастую одних знаний бывает не достаточно. А опыт имеет один недостаток. Осознание наступает тогда, когда его результаты уже отразились на твоей биографии, судьбе твоих близких. Порою уже поздно что-либо изменить...

Лекции по психологии мы не любили. Во-первых не наш профиль. Для нас, студентов физмата, рассуждения о психике, моторике, эмоциях, уровнях сознания, воспринимались как пустая трата времени. Есть законы физики, математические модели, описания этих законов. Все остальное демагогия, слабых на интеллект, людей. Ведь ни один их постулат не обосновывался математически. Да, и вообще все это не нужно будет нам, будущим специалистам.

Читал их нам доцент кафедры психологии, соседнего университета. Мы, как правило занимались на его занятиях своими делами. Кто готовился к коллоквиуму по теме - «Обратные гиперболические функции». Кто писал реферат - «Уравнения первого порядка. Приближенные методы интегрирования. «Метод последовательных приближений Пикара».
Одни названия придавали самоуважение и снисходительность ко всему окружающему. Все, что выходило за рамки этих обсуждений - пустое времяпрепровождение. Иррациональное использование возможностей интеллекта!...

В этот раз он вошел в аудиторию неожиданно и как-то по-особому. В чем это выражалось, сказать было трудно. Но все указывало на его решительность и загадочность. Началось с паузы. Он внимательно взглядом прошелся по всем присутствующим. Да, и мы, все притихшие, смогли наконец-то, всмотреться в своего лектора. За бешеным темпом студенческой жизни, отношением к предмету, как-то не пришлось обратить внимание на его образ.

А он оказался необычным. Возраста был неопределенного. Для старика - слишком моложав, а для молодого - слишком умудрен. Взгляд был пронизывающий, особенно без очков. Очки придавали взгляду вид рассеянного человека. А он был всегда в очках. Одет был подчеркнуто по другому, чем всегда. Угадывалось его желание обратить на себя внимание.

Улыбнувшись куда-то внутрь, он начал,
-вундеркинды вы мои. Вы думаете я вас не понимаю? Сам когда-то был студентом. И кроме физики ничего не воспринимал. Математика была для меня скучным, нудным обременением. Вот физика! Это Мысль, реализованная в Опыте! Все начинается с нее. Уже потом математики начинают колдовать и думать, как же описать все это явление в виде формулы. А мы уже пошли дальше.

Но на определенном этапе, я понял, что все законы вне восприятия человеком, не имеют смысла. И «заболел» психологией. К сожалению программу утверждаю не я. Поэтому все лекции, как -бы скучными ни были, обязательны. Сегодня сделаем исключение. Я познакомлю вас с некоторыми последними разработками в этой области.

В основе коммуникаций человека лежит информация. Психика, в некотором роде, является продуктом, результатом воздействия информации.
Она пронизывает все материальное. Без ее участия не проходит ни один процесс. Атомы выстраиваются в кристаллическую решетку, снежинки обретают неповторимый, индивидуальный рисунок, элементарные частицы взаимодействуя между собой, составляют материю - все пронизано информационным обменом. Вот вы учитесь по учебникам. Слушаете лекции. Читаете труды, монографии, конспекты своих товарищей. Вся эта информация передается через посредство электромагнитных полей. Свет, звук, радиоволны, электромагнитные поля.

Недавно Лауреат Нобелевской премии Бриджмен, показал, что передача информации возможна не только через посредство электромагнитных полей, но и через искажение физического вакуума.

То есть не обязательно говорить словами, воздействовать иными видами полей. Обстановка в аудитории, состояние лектора, состояние слушателей, то есть вас, это тоже оказывает воздействие на вас, на вашу психику. А психика вещь интересная. Она воспринимает состояние окружающей обстановки. Впитывает это состояние, информацию о ситуации, помимо желания и воли ее обладателя. Насыщенная обсуждением и впечатлением лекция, несет двойное воздействие на слушателей.

Вы обращали внимание, что в благополучных семьях вырастают не благополучные дети. Как? Почему?

Опыт показывает, что там, где нет искренности, отсутствует уважение, понимание и терпимость, ни книги, ни образование, заменить этого не смогут.
Искривление физического вакуума, которое запоминает и тиражирует все негативные моменты, глубоко, на подсознательном уровне, селятся в душу этих детей. И наоборот, атмосфера любви, ласки и понимания членов семьи, уважение личности, позволяет формироваться человеку высокой культуры, высоких нравственных начал. Дают дорогу вдохновению, таланту, предчувствию.

Я бы посоветовал рассмотреть наш курс именно с этих позиций. Ведь вы молодые люди, одержимые тягой к познанию. Почему бы не использовать законы природы во благо себе. От атмосферы в аудитории, лаборатории, предприятии, семьи зависит не только количественный результат. Не менее важен и качественный.
И потом, воспитание в себе способности восприятия информации через искривление физического вакуума, способствует феномену Озарения. Озарение - это когда накопленная вами информация вдруг таинственным образом, помимо вашей воли, выстраивается в законченный логический континуум. То есть идею, мысль. Не обкрадывайте себя. А я вам помогу в этом. Ведь вы умницы, уж коль сидите в этой аудитории...

После этой лекции все пересмотрели свое отношений к предмету.
А вдруг научимся Озаряться?..

БРИДЖМЕН
(Bridgman) Перси Уильямc (1882-1961) -амер. физик и философ, лауреат Нобелевской премии 1946 по физике. В философии и методологии науки Б. известен концепцией «операционализма», сформулированной в работе «Логика современной физики» (1927). В основе этого учения лежит идея о том, что значения научных понятий синонимичны множеству операций, с помощью которых определяется их содержание. Основными такими операциями выступают экспериментальные процедуры измерения. На формирование операционализма основное влияние оказали прагматизм и тот способ, каким А. Эйнштейн определял основные понятия теории относительности. Операциональное введение понятий позволяет придать им строгое значение, отделить их от соответствующих понятий повседневного опыта и метафизики. Вместе с тем отождествление значения понятий науки с совокупностью операций ведет к отказу от их понимания как коррелятов реальности, к сближению операционализма с инструменталистской трактовкой научного знания. В духе этих идей Б. истолковывал различные эпизоды развития науки, а также высказывался по более общим филос. проблемам. Его позиция отражала реальные методологические изменения в современном естествознании, однако распространение операционализма на все содержание научного знания вызвало критику многих философов. В итоге сам Б. стал признавать, что значение научных понятий не исчерпывается операционально-измерительными процедурами, даже если расширить понимание операций, включив в них, наряду с реальными, ментальные операции.

Философия: Энциклопедический словарь. - М.: Гардарики . Под редакцией А.А. Ивина . 2004 .

Философский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Гл. редакция: Л. Ф. Ильичёв, П. Н. Федосеев, С. М. Ковалёв, В. Г. Панов . 1983 .

Философский энциклопедический словарь . 2010 .

Философская Энциклопедия. В 5-х т. - М.: Советская энциклопедия . Под редакцией Ф. В. Константинова . 1960-1970 .

Новая философская энциклопедия: В 4 тт. М.: Мысль . Под редакцией В. С. Стёпина . 2001 .

Суть данного метода заключается в том, что зарождающиеся в нижней части тигля с расплавом монокристаллы служат затравкой. Тигель опускается в более холодную зону печи. Нижняя часть тигля – коническая. Скорость выращивания – также несколько мм/час.

Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Стокаберга-Бриджмена: 1 - тигель с расплавом, 2 - кристалл, 3 - печь, 4 - холодильник, 5 - термопара, 6 - тепловой экран.

Метод Вернейля

Метод Вернейля реализуется путем просыпки маленьких порций порошковой шихты в трубчатую печь, где эта шихта расплавляется во время падения в кислородно - водородном пламени и питает каплю расплава на поверхности затравки. Затравка при этом вытягивается постепенно вниз, а капля пребывает на одном и том же уровне по высоте печи.

Преимущества :

отсутствие флюсов и дорогостоящих материалов тиглей;

отсутствие необходимости точного контроля температуры;

возможность контроля за ростом монокристалла.

Недостатки :

из-за высокой температуры роста кристаллы имеют внутренние напряжения;

стехиометрия состава может нарушаться вследствие восстановления компонентов водородом и испарения летучих веществ.

Скорость выращивания – несколько мм/час.

На рисунках показан принцип выращивания монокристаллов по методу Вернейля и установочное оборудование.

Метод зонной плавки

Зонная плавка заключается в прогонке зоны расплава по длине заготовки монокристалла, одновременно в зоне расплава концентрируются примеси и происходит очистка кристалла, конечную часть которого затем удаляют. Нагрев осуществляется индукционным, радиационно-оптическим или другим методом.

Схема устройства для зонной плавки: 1 - затравка, 2 - расплав, 3 – поликристаллический слиток, 4 – нагреватель (стрелкой показано направление движения нагревателя).

Система для индукционной зонной плавки германия Гидротермальное выращивание

Гидротермальный метод выращивания кристаллов используется для выращивания кристаллов, которые трудно или невозможно вырастить другими методами, так как наиболее близко имитирует процессы образования минералов в природе. В основе его лежит тот факт, что при высоких температурах (до 700 °С) и давлениях (до 3000 атм.) водные растворы солей способны активно растворять соединения, практически нерастворимые при нормальных условиях. Для гидротермального выращивания кристаллов используют специальные прочные стальные сосуды – автоклавы, способные выдержать такие экстремальные давления и температуры.

Наиболее распространенной является модификация гидротермального метода, называемая методом перекристаллизации в условиях положительного температурного градиента. Суть его заключается в следующем:

На дне автоклава, нагреваемого снизу и охлаждаемого сверху, размещается растворяемое вещество – шихта. Над ней расположены затравки (пластины, выпиленные по определенному направлению из кристалла выращиваемого вещества). В автоклаве создается разность температур (нижняя зона более горячая), чему способствует диафрагма – перегородка с отверстиями, разделяющая верхнюю и нижнюю зоны. Раствор циркулирует между гранулами шихты, насыщаясь веществом выращиваемого кристалла. Одновременно происходит нагревание гидротермального раствора. Горячий (и потому – более легкий) раствор поступает в верхнюю часть автоклава, где остывает.

Растворимость кристаллизуемого вещества с понижением температуры снижается, избыток растворенного вещества отлагается на затравки. Холодный высокоплотный обедненный раствор опускается в нижнюю часть автоклава и цикл повторяется. Процесс ведется до полного переноса вещества шихты на затравки. В результате этих процессов и растет кристалл. Скорость выращивания составляет от долей мм до нескольких мм в сутки. Выращиваемые монокристаллы обычно имеют высокое качество и характерную кристаллографическую огранку, т.к. растут в условиях более или менее близких к равновесным.

Схема автоклава для гидротермального синтеза: 1 - раствор, 2 - криcталл, 3 - печь, 4 - вещество для кристаллизации (T 1 2 ).