Физика. 10 класс. Громыко Е.В., Зенькович В.И. и др.

Перед вами учебное пособие «Физика» для 10 класса. В этом учебном году вы продолжите изучение тепловых и электромагнитных явлений в разделах «Молекулярная физика» и «Электродинамика».

Физика. 10 класс. Громыко Е.В., Зенькович В.И. и др.

 

Описание учебника

Молекулярная физика — раздел физики, изучающий свойства тел и происходящие в них процессы, связанные с огромным числом частиц (молекул, атомов, ионов), содержащихся в телах. На основе законов молекулярной физики конструируют тепловые двигатели, установки для сжижения газов, холодильные аппараты и другие технические устройства, создают новые материалы (различные сплавы, керамики, пластмассы, сорта резины, стекла, бетона, всевозможные полупроводниковые материалы и др.) с заданными физическими (механическими, электрическими, магнитными, оптическими) свойствами. Новейшие открытия в молекулярной физике оказывают влияние на развитие химии и биологии. Например, возникшая на стыке наук молекулярная биология объясняет явления, происходящие в живых организмах.
В 9 классе при изучении механики вы рассматривали механическую форму движения материи, т. е. перемещение тел друг относительно друга и их взаимодействие. При этом внутреннее строение того или иного тела не имело значения. Напомним, что физическим телом называют материальный объект, имеющий массу и занимающий некоторый объём пространства. То, из чего состоит физическое тело, называют веществом. Вещество — один из видов материи, другим является поле. Материя — это всё, что существует объективно, т. е. независимо от человеческого сознания. Материя существует в движении. В физике изучают физические формы движения материи — механическую, тепловую, электромагнитную и др.
В молекулярной физике рассматривают явления, происходящие с макроскопическими телами и обусловленные тепловой формой движения материи. Макроскопическими телами (системами) в физике называют тела (системы), состоящие из огромного числа частиц. Капля воды, газ в воздушном шаре, деревянная доска, серебряная ложка, наша планета (рис. 1) — всё это макроскопические тела.
Для описания тепловых явлений, происходящих с макроскопическими телами (системами), необходимы подходы и методы, отличные от тех, которые применяют в механике. Движение одной молекулы, происходящее в пространстве, может быть описано с использованием законов динамики одним векторным или тремя скалярными уравнениями. Однако применить законы Ньютона ко всем молекулам, число которых в любом макроскопическом теле огромно, нереально. Пользуясь законами динамики для нахождения характеристик макроскопического тела, например, воздуха в объёме 1 см3, понадобилось бы решить приблизительно 8. 1019 уравнений движения частиц. Макросистема — это качественно новая система, подчиняющаяся статистическим закономерностям. Главной особенностью этих закономерностей является то, то для их определения используют средние значения параметров системы и отдельных её частиц.
Для описания макроскопической системы, например газа в сосуде, может быть использовано два метода — молекулярно-кинетический (статистический) и термодинамический. Молекулярно-кинетический метод исходит из определённых гипотез о внутреннем строении вещества, а термодинамический — рассматривает макроскопическую систему в целом, не интересуясь внутренним строением входящих в неё тел. При молекулярно-кинетическом описании используют средние значения физических величин, которые характеризуют поведение частиц, составляющих систему. Например, среднюю кинетическую энергию и среднюю скорость хаотического движения частиц. При термодинамическом описании исп о ль уют физические величины, которые характеризуют систему в целом. Так, описать состояние определённой массы газа в сосуде можно, используя три параметра — давление, объём и температуру.
В молекулярно-кинетической, теории изучают свойства тел в зависимости от их строения, от сил взаимодействия между частицами (молекулами, атомами, ионами), из которых состоят тела, и от характера движения этих частиц. Термодинамика изучает способы и формы передачи энергии от одного тела к другому, закономерности превращения одних видов энергии в другие. Следовательно, статистический и термодинамический методы дополняют друг друга.
§ 1. Основные положения молекулярно-кинетической .
Что представляет собой внутреннее строение любого вещества? Сплошное оно или имеет дискретную структуру? Почему свойства различных веществ отличаются друг от друга? от чего зависят те или иные свойства вещества?
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения:
1. Вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из микроскопических частиц.
2. Частицы вещества хаотически движутся.
3. Частицы вещества воздействуют между собой.
Дискретное строение вещества. Согласно первому положению молекулярно-кинетической теории вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из отдельных частиц (моле ул, атомов, ионов). При изучении физики в 6 и 8 классах вы узнали, что реальное существование молекул подтверждают экспериментальные факты. Такими фа ^ми, в частности, являются растворение веществ в воде и в других растворителях, сжатие и расширение любых тел и особенно газов, механическое дробление вещества, диффузия, броуновское движение и многое другое.
Рис. 2
Глаз может различить две точки, если расстояние между ними не менее 0,1 мм. Современные оптические микроскопы позволяют различать структуры с расстоянием между элементами порядка двухсот нанометров и более (> 200 нм), что обеспечивает возможность наблюдать и фотографировать очень большие молекулы, состоящие из сотен и даже тысяч атомов (молекулы некоторых витаминов, гормонов и белков). На рисунке 2 приведена
Основные положения молекулярно-кинетической теории
фотография молекулы нуклеиновой кислоты нитевидной формы, общая длина которой 34 мкм.
Переход от световых волн в оптических микроскопах к ускоренным пучкам электронов, управляемым электрическими и магнитными полями, в электронных микроскопах улучшил пределы разрешения до десятых долей нанометра. Использование электронных микроскопов позволило наблюдать и фотографировать атомарные структуры.
4 марта 1981 г. немецкий учёный Герд Бинниг и швейцарский учёный Генрих Рорер впервые в мире наблюдали отдельные атомы на поверхности кремния (рис. 3). На рисунке 4, а, б изображены электронный и туннельный микроскопы. За создание первого электронного микроскопа немецкому учёному Эрнсту Руске и за изобретение сканирующего туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике за 1986 год.
Тепловое движение частиц вещества. Согласно второму положению молекулярно-кинетической теории частицы, составляющие вещество, находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называют тепловым.
Наиболее ярким экспериментальным подтверждением теплового движения част :ц вещества (молекул, атомов и ионов) является броуновские движение, т.е. движение «взвешенных» в жидкости или газе мельчайших нерастворимых твёрдых частиц размерами примерно 1 мкм и меньше. «Взвешенные» частицы — это частицы, плотность вещества которых близка к плотности окружающей их среды (жидкости или газа). Они распределяются по всему объёму среды, не оседая на дно сосуда и не поднимаясь на её поверхность (рис. 5).
ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
Первым обратил внимание на указанное явление в 1827 г. английский ботаник Роберт Броун (1773—1858). Броуновские частицы движутся непрерывно и хаотично, а траектории их движений очень сложны. На рисунке 6 изображена упрощённая траектория движения броуновской частицы. Точками отмечены половины частицы через одинаковые промежутки времени. Траектория движения в течение каждого промежутка времени заменена отрезком прямой, который представляет собой модуль результирующего перемещения частицы.
Броуновское движение обусловлено свойствами жидкости или газа, не зависит от природы вещества броуновской частицы и внеш >их воздействий (кроме температуры ). Причиной броуновского движения является тепловое движение частиц среды, окружающей броуновскую частицу, и отсутствие точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих Рис. 7 её молекул (атомов или ионов) (рис. 7). Чем
меньше размеры и масса броуновской частицы, тем заметнее становятся изменения её импульса под воздействием ударов. Интенсивность движения броуновских частиц растёт с повышением температуры и уменьшением вязкости среды, т. е. внутреннего трения, оказываемого ею. Броуновское движение едва удаётся подметить в глицерине, а в газах оно, напротив, чрезвычайно интенсивно.
Первую количественную теорию броуновского движения предложил в 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879—1955). Польский физик Мариан Смолуховский (‘872—1917) в 1906 г. также разработал количественную теорию броуновского движения. Экспериментальное подтверждение предложенной теории явилось заслугой французского физика Жана Перрена (1870—1942). «За доказательство существования молекул» Ж. Перрену присуждена Нобелевская премия по физике за 1926 г. Броуновское движение свидетельствует, что молекулы действительно существуют и что они непрерывно и хаотически движутся.
Взаимодействие частиц вещества. Сам факт существования твёрдых и жидких тел свидетельствует, что между частицами веществ, образующих эти тела, действуют силы взаимного притяжения. Частицы (атомы или молекулы) в этих телах удерживаются вместе именно силами взаимного притяжения. Из повседневного опыта известно, что эти силы нагляднее всего проявляются в твёрдых телах. Тонкий стальной трос диаметром 2 мм достаточно прочен, чтобы удержать н весу гирю массой 100 кг. То, что газы занимают весь предоставленный им объём, указывает на весьма незначительное проявление сил взаимного притяжения между их молекулами* . Усреднённое расстояние между молекулами газов существенно превышает размеры самих молекул,
* Несмотря на то что не все газы и жидкости состоят из молекул (они могут состоять и из атомов, и из ионов), в дальнейшем, говоря о газах и жидкостях, мы будем использовать термин «молекула».

Физика. 10 класс. Громыко Е.В., Зенькович В.И. и др.