Использование метода моделирования при изучении молекулярной физики в 10 классе.

Использование метода моделирования при изучении

молекулярной физики в 10 классе.

Автор: Иваницкая С.В., учитель физики ГБОУ «Лицей № 37 г. о. Донецк»

Изучение основ молекулярной физики в 10 классе предусматривает развитие молекулярных представлений, полученных учащимися в младших классах. Это требует более широкого применения физических моделей для осознанного восприятия процессов, описываемых молекулярной физикой. При описании макроскопических свойств вещества с молекулярной точки зрения необходимо наглядной представление о структуре вещества с микроскопической точки зрения.

Поскольку учащиеся уже знакомы с термином «физическая модель», они имеют представление о том, как можно применять моделирование при изучении тех или иных явлений. Однако такие модели, как материальная точка, абсолютно твердое тело и др, как правило, вводились для того, чтобы не учитывать особенности поведения отдельных частей движущегося тела. При изучении молекулярной физики применение моделей переходит на новый уровень, где используются модели газа, жидкости и твердого тела с учетом их молекулярной структуры. Так, например, основное уравнение молекулярно-кинетической теории строится на модели « идеального газа», при изучении поверхностного натяжения используется молекулярная модель «поверхностного слоя» и т.д.

Перед использованием моделей необходимо разъяснить учащимся, что такое физическая модель. Под физической моделью подразумевается созданная учеными на основе определенной системы понятий и идей общая картина явлений, которая помогает понять и описать то, что изучается в данном разделе физики. Модель описывает наиболее существенные, характерные черты изучаемого физического явления. Важно подчеркнуть, как каждая физическая модель имеет свои пределы применимости. Так, для идеальных газов правомерна модель молекулы в виде материальной точки, а для реальных газов в виде шарика.

Рассмотрим подробнее модели, применяемые в школьном курсе молекулярной физики.

1. Модель «идеального газа». Исходя из определения в школьном учебнике, идеальный газ состоит из материальных точек, силы притяжения между которыми отсутствуют, а силы притяжения проявляются лишь при непосредственном столкновении молекул друг с другом. Самые существенные свойства газа – это способность расширяться, занимая весь предоставленный объем сосуда и оказывать давление на стенки сосуда. Собственный объем молекул и их взаимодействие друг с другом при этом не играют существенной роли. Именно эти характеристики и описываются моделью идеального газа .Однако такая модель не отражает важнейшего свойства газа – подвижности его молекул, что необходимо учитывать при моделировании газовых процессов, поскольку совокупность неподвижных молекул, находящихся на больших расстояниях друг от друга, не могла бы оказывать давления на стенки сосуды, а поскольку молекулы имеют массу, они под действием силы тяжести упали бы на дно сосуда. В результате движения молекул происходят их столкновения, приводящее к расширению газа и обуславливающие распределение молекул по скоростям и энергиям. Мы рекомендуем применять при моделировании газовых процессов такую модель идеального газа: идеальный газ – это газ, состоящий из множества движущихся материальных точек, часто сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда, но не взаимодействующих в промежутках между столкновениями. Учащимся уже известно, что газ будет расширяться, по кА не встретится с преградой, а для уменьшения объема требуется усилие, преодолевающее сопротивление газа сжатию. Таким образом, газ всегда стремится к расширению. Согласно этой теории, увеличение концентрации молекул приводил к увеличению давления на стенки сосуда, так как увеличивается число столкновений на единицу площади стенок сосуда. Следует разъяснить учащимся, что давление прямо пропорционально концентрации частиц. Выясним теперь границы применимости предложенной модели. Если газ сжать, то плотность его увеличивается, расстояния между молекулами уменьшится, и они чаще будут сталкиваться друг с другом и со стенками сосуда. При сильном сжатии газа молекулы оказываются настолько близкими друг к другу, что давление газа будет зависеть не только от ударов движущихся части, но и от деформации самих молекул. Очевидно, что данная модель идеального газа станет непригодной для применения, а закон Бойля-Мариотта выполняться не будет. При этом обнаруживается существенное отклонение от закона Бойля-Мариотта, который справедлив лишь для достаточно малых значений плотности, когда молекулы расположены на расстояниях, значительно превышающих размеры самих молекул.

С помощью предлагаемой модели можно произвести не только качественный, но и количественный анализ газовых процессов. Допусти, закрытый сосуд объемом V наполнен идеальным газом. Давление на стенки сосуда зависит от числа молекул N, массы каждой молекулы m и ее скорости ʋ. Для определения давления выводим формулу основного уравнения молекулярно-кинетической теории, указав на равновероятность движения молекул во всех направления, откуда и появляется ⅓. Получаем основное уравнение молекулярно-кинетический теории.

Р = ⅓ n m ʋ²

«Реальные» газы не подчиняются строго газовым законам, поэтому модель «идеального газа» для их изучения непригодна. На поведение молекул реального газа влияет взаимодействие между молекулами, поэтому в газовые законы следует вносить поправки, учитывающие характеристики молекул. Важно довести до учащихся, что столкновение молекул не представляет собой упругого удара, как это предполагается в модели идеального газа. В школьном курсе молекулярной физики нужно дать понимание различия «идеального» и «реального» газа. При расширении «идеального» газа в адиабатных условиях, если он не совершает работы, его температура остается неизменной. Для «реального» газа рассмотрим два случая: в первом учтем, что молекулы имеют собственные размеры, во в втором – взаимодействие молекул. При адиабатном расширении газа в первом случае его потенциальная энергия убывает, поскольку при увеличении среднего расстоянии между молекулами газа уменьшается его потенциальная энергия взаимодействия. Так как газ не совершает работу и не обменивается теплотой с окружающей средой, то внутренняя энергия его должна оставаться неизменной. Внутренняя энергия – это сумма потенциальной и кинетической энергии всех молекул газа, следовательно, уменьшение потенциальной энергии приводит к увеличению кинетической энергии молекул газа На сколько уменьшается потенциальная энергия, на столько же увеличивается кинетическая энергия молекул газа. Таким образом, газ нагревается. Во втором случае при расширении газа его средняя потенциальная энергия возрастает, а кинетическая уменьшается, следовательно, газ охлаждается. Таким образом, при адиабатном расширении «реального» газа без совершения работы может произойти как нагревание, так и охлаждение газа. Все зависит от того, какой из рассмотренных факторов, отличающих «идеальный» и «реальный» газ, играет большую роль, а это определяется температурой и давлением газа. При определенных значениях температуры и давления газа оба фактора оказывают одинаковое влияние, поэтому температура газа не меняется, т.е. поведение «реального» газа не отличается от «идеального»

1. Жидкости.

В жидкостях молекулы расположены упорядоченно, подобно структуре кристаллов. Однако, в отличие от кристаллического, этот порядок не простирается на весь объем жидкости, а ограничивается областью, включающей лишь несколько частиц, ближайших к данной. Такое строение вещества называется «ближним порядком». По своим свойствам, структуре и характеру молекулярного взаимодействия жидкости занимают промежуточное положение между газами и кристаллическими телами. Я.И.Френель утверждал, что жидкости являются промежуточной фазой между твердой и газообразной, поэтому жидкости проявляют свойства как твердых тел, так и газов, проявляющихся как при высоких, так и при низких температурах. Для формирования представлений о свойствах жидкостей целесообразно опираться на предварительно усвоенные учащимися свойства газа и твердого тела. При этом следует иметь в виду, что жидкости ближе к твердым телам, чем к газам. Среднее расстояние между молекулами жидкости меньше, чем радиус межмолекулярных сил притяжения. Покажем это на примере молекулы воды. Один киломоль воды имеет массу 18 кг и занимает объем 18 *10^-3м³. Если представить этом объем в виде куба, то сторона такого куба имеет длину около 3*10^-10м. Это и есть среднее расстояние между молекулами. Диаметр молекулы воды 2,6 * 10^-10м, значит, «зазор» между молекулами воды такого же порядка, что и диаметр молекулы.. В других жидкостях молекулы могу еще более плотно прилегать друг к другу. В газах же расстояния между молекулами в 1000 раз больше размеров молекул. Если в «реальных» газах силы межмолекулярного взаимодействия играют существенную роль при низких температурах и сравнительно высоких давлениях, то в жидкостях, как и в твердых телах, эти сила становятся преобладающими. Молекулярное движение в жидкости, как и в твердом теле, сводится к колебаниям частиц около положения равновесия. Поэтому жидкость следует рассматривать, как состоящую из множества микроскопических областей, меняющих свое положение относительно друг друга. Каждая молекула жидкости не связана все время с одним и тем же положением равновесия, она перемещается от одного центра колебания к другому. Время «оседлой жизни» частицы очень мало и уменьшается с повышением температуры. Этот «кочевой образ жизни» молекул жидкости и объясняет ее текучесть. Ряд жидкостей имеют время «оседлой жизни», измеряемое секундами, минутами и даже часами. Такие жидкости ведут себя кА твердые тела.

Интерес представляет модель «поверхностного слоя» жидкости. При соприкосновении между собой разных веществ или сред, находящихся в различных агрегатных состояниях, граница, разделяющая эти среды обладает особыми свойствами. Этот слой имеет определенную, хотя и достаточно малую, толщину. Этот слой образуется, благодаря различием в межмолекулярном взаимодействии. Можно наглядно показать ребятам удивительные свойства этого слоя, которые подробно будут рассмотрены в процессе изучения этой темы.

Литература.

1. Аверьянов А.Н. Системное познание мира: методологические проблемы. М., 1991.

2. Алтухов В.Л., Шапошников В.Ф. О перестройке мышления: философско-методологические аспекты. М., 1988.

3. Амосов Н.М. Моделиpoвание мышления и психики. М., Наука, 1995

4. Большая советская энциклопедия.

5. Штофф В.А. Моделиpование и философия. М., Наука, 1966.

6. Налимов В. В., Теория эксперимента, М., 1971.

7. Е.Д. Щукин, Г.Б. Куперман. Развитие представление о межатомных взаимодействиях при изучении свойст твердых тел и жидкостей. М.Педагогика 1973

8 .А.И.Бугаев, В.Ф. Махлай Некоторые вопросы изучения свойств твердых тел М.Педагогика 1973