СОДЕРЖАНИЕ
- 1. Введение 3
- 2. Становление МКТ 3
- 3. Частицы вещества 4
- 4. Движение частиц вещества 5
- 5. Взаимодействие частиц вещества 6
- 6. Кристаллические тела 6
- 7. Аморфные тела 7
- 8. Жидкие тела 8
- 9. Газообразные тела 9
- 10. Заключение 9
Список литературы 10
Введение
Начиная с XVIII века, постепенно стала складываться система научных представлений о строении вещества, позднее названная молекулярно-кинетической теорией (МКТ). Молекулярно-кинетическая теория базируется на трёх положениях, обобщающих результаты большого количества экспериментальных данных:
Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул и ионов. Таким образом, любое вещество обладает дискретной структурой. Частицы, образующие вещество, находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым. Атомы, молекулы и ионы взаимодействуют друг с другом.
Становление МКТ
До сегодняшнего дня мы изучали физику так называемых макроскопических тел (греч. "макрос" – большой). Это все тела, которые нас окружают: дома, машины, вода в стакане, вода в океане и т.д. Нас интересовало, что происходит с этими телами и вокруг них. Теперь нас будет интересовать также и то, что происходит внутри тел. На этот вопрос нам поможет ответить раздел физики, который называется МКТ.
МКТ – молекулярно-кинетическая теория. Она объясняет физические явления и свойства тел с точки зрения их внутреннего микроскопического строения. В основе этой теории лежат три утверждения:
• Все тела состоят из малых частиц, между которыми есть промежутки.
• Частицы тел постоянно и беспорядочно движутся.
• Частицы тел взаимодействуют друг с другом: притягиваются и отталкиваются.
Эти утверждения называются основными положениями МКТ. Все они подтверждены многочисленными экспериментами. При макроскопическом подходе нас интересуют сами тела: их размеры, объем, масса, энергия и так далее. Взгляните на рисунок слева. Например, макроскопически изучая водяные брызги, мы будем измерять их размеры, объем, массу.
При микроскопическом же подходе нас тоже интересуют размеры, объем, масса и энергия. Однако уже не самих тел, а тех частиц, из которых они состоят: молекул, ионов и атомов. Именно это и символизирует верхний рисунок. Но не следует думать, что молекулы, ионы и атомы можно увидеть в лупу. Этот рисунок – всего лишь художественная гипербола. Увидеть эти частицы можно лишь при помощи особых, так называемых электронных, микроскопов.
МКТ не всегда была научной теорией. Зародившись еще до Нашей эры, молекулярная (или, как ее называли прежде, – атомическая) теория оставалась лишь удобной гипотезой больше двух тысяч лет! И только в XX веке она превращается в полноправную физическую теорию. Вот как говорит об этом знаменитый физик Э.Резерфорд:
"Ни один физик или химик не может закрыть глаза перед той огромной ролью, какую в настоящее время играет в науке атомическая гипотеза. … К концу XIX столетия ее идеи пропитали очень большую область физики и химии. Представление об атомах делалось все более и более конкретным. … Простота и польза атомических воззрений при объяснении самых различных явлений физики и химии, естественно, подняли авторитет этой теории в глазах научных работников. Появилась тенденция рассматривать атомическую гипотезу уже не как полезную рабочую гипотезу, для которой очень трудно найти непосредственные и убедительные доказательства, а как один из твердо обоснованных фактов природы.
Но также не было и недостатка в ученых и философах, которые указывали на необоснованность этой теории, на которой, однако, было построено так много. Можно согласиться с полезностью идеи о молекулах для объяснения данных опытов, но какая у нас уверенность в том, что атомы действительно существуют, а не представляют только фикцию, плод нашей фантазии? Нужно, впрочем сказать, что этот недостаток непосредственных доказательств отнюдь не поколебал веру громадного большинства людей науки в зернистое строение материи.
Отрицание атомической теории никогда еще не способствовало и не будет способствовать открытию новых фактов. Большим преимуществом атомической теории является то, что она дает нам, так сказать, ощутимое конкретное представление о материи, которое не только служит нам для объяснения множества явлений, но оказывает также нам громадные услуги как рабочая гипотеза".
Частицы вещества
Существование промежутков между частицами. Ученые установили, что вода и спирт состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. Они настолько малы, что не видны даже в микроскоп. Тем не менее, известно, что молекулы спирта в 2-3 раза крупнее молекул воды. Поэтому при сливании жидкостей их частицы перемешиваются, и более мелкие частицы воды размещаются в промежутках между более крупными частицами спирта. Заполнение этих промежутков и способствует уменьшению общего объема веществ.
Малость размеров частиц вещества. Ученые установили, что подобно воде и спирту, марганцовка также состоит из мельчайших частиц. Все они настолько малы, что их нельзя увидеть "по одиночке". Именно поэтому окраска раствора и кажется нам равномерной. Если бы частицы марганцовки были крупнее, то вместо равномерной окраски раствора мы увидели бы прозрачную воду с плавающими в ней частичками марганцовки.
Названия частиц вещества. Это очень сложный вопрос. Мельчайшие частицы воды, спирта, сахара называются молекулами. Марганцовка, соль, ртуть состоят из частиц, называемых ионами. Мельчайшие частицы алмаза, фосфора, гелия называются атомами. Разобраться с названиями всех этих частиц вы сможете лишь тогда, когда изучите основы химии. А пока мы будем вам специально сообщать, как называются частицы изучаемого вами вещества. Например, в соленой воде содержатся следующие частицы: молекулы воды, ионы натрия и хлорид-ионы. А в стальном предмете можно обнаружить ионы железа, атомы углерода и другие частицы.
Неизменность частиц вещества. Как вы знаете, большинство веществ в зависимости от внешних условий (давления и температуры) могут быть либо твердыми, либо жидкими, либо газообразными. Возникает вопрос: одинаковы ли частицы одного и того же вещества, но в различных агрегатных состояниях? Специальными исследованиями установлено, что частицы вещества не изменяются при изменении его агрегатного состояния.
Движение частиц вещества
Движение частиц вещества не может быть обнаружено каким-либо прямым наблюдением: это явление нельзя увидеть ни в лупу, ни в микроскоп. Поэтому ниже описанные опыты не являются доказательствами правильности второго положения МКТ. Они лишь наполняют его конкретным смыслом, то есть служат иллюстрациями.
Броуновское движение. Однажды в 1827 г. английский ученый Р.Броун, изучая растения при помощи микроскопа, обнаружил очень необычное явление. Плавающие на воде споры (мелкие семена некоторых растений) при наблюдении за ними в микроскоп скачкообразно двигались без видимых на то причин (см. рисунок). Броун наблюдал это движение несколько дней, однако так и не смог дождаться его прекращения. Он его подробно описал, но объяснить так и не смог. Впоследствии это явление назвали броуновским движением.
Объяснить это явление невозможно, если только не предположить, что молекулы воды находятся в постоянном, никогда не прекращающемся движении. Они беспорядочно сталкиваются друг с другом, с другими молекулами. Наталкиваясь на споры, молекулы вызывают их скачкообразные перемещения, что Броун и наблюдал в микроскоп. А поскольку молекулы в микроскоп не видны, то движение спор казалось Броуну беспричинным.
Диффузия объясняется просто. Частицы веществ, беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки друг между другом, что и означает смешивание веществ. Наиболее быстро диффузия происходит в газах. Медленнее – в жидкостях, а в твердых телах – совсем медленно: годами. Известен, например, следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца пролежали друг на друге около 5 лет. За это время золото и свинец продиффундировали (проникли) друг в друга на глубину около 1 мм.
Скорость движения частиц и температура. Причина диффузии – это самостоятельное движение частиц вещества. Поэтому ускорение диффузии можно объяснить тем, что повышение температуры тела приводит к увеличению скорости движения его частиц. Кстати, броуновское движение при этом также ускоряется.
Итак, при любой температуре наблюдается самостоятельное движение частиц всех веществ – твердых, жидких и газообразных. Поскольку частицы движутся, они обладают кинетической энергией. Эта энергия тем больше, чем выше температура тела.
Взаимодействие частиц вещества
Частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием) и, кроме того, плотно прижаты друг к другу.
Частицы веществ способны отталкиваться друг от друга. Это подтверждается тем, что жидкие, а особенно твердые тела очень трудно сжать. Например, чтобы сдавить резиновый ластик, требуется значительная сила! Ластик гораздо легче изогнуть, чем сдавить.
Притяжение или отталкивание частиц веществ возникает лишь в том случае, если они находятся в непосредственной близости. На расстояниях, чуть больших размеров самих частиц, они притягиваются. На расстояниях, меньших размеров частиц, они отталкиваются. Если же поверхности тел удалены на расстояние, заметно большее, чем размер частиц, то взаимодействие между ними не проявляется никак. Например, нельзя заметить никакого притяжения между свинцовыми цилиндриками, если их сначала не сжать, то есть не сблизить их частицы.
Поскольку частицы вещества взаимодействуют, они обладают потенциальной энергией. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы. Поэтому между ними возникают силы притяжения-отталкивания, которые мы и объединяем термином "сила упругости".
Кристаллические тела
Геологам известно, что в природе встречаются довольно большие монокристаллы (греч. "монос" – один, единственный). Однако большинство кристаллов являются поликристаллами (греч. "полис" – многочисленный). Это значит, что они состоят из многочисленных, сросшихся между собой кристалликов.
Строение монокристаллов. В середине XX века появились особые электронные микроскопы, которые помогли увидеть частицы некоторых веществ. Кроме электронных, можно сделать и рентгеновские фотографии. И все они подтвердят, что частицы кристаллических веществ расположены упорядоченно, образуя множество параллельных рядов. Установлено, что не существует кристаллов без дефектов. Например, в одном из рядов может не хватать нескольких частиц.
Движение частиц кристаллов. В молекулярно-кинетической теории считается, что частицы кристаллических твердых тел непрерывно колеблются около положений равновесия. Размах колебаний частиц невелик по сравнению с размерами самих частиц, поэтому на фотографиях их отклонения незаметны. В модели "кристаллическая решетка" положения равновесия частиц отмечены узлами.
Колебательное движение частиц кристаллов – основное их движение. Однако частицы могут иногда перескакивать с места на место. Этому способствует тот факт, что в кристаллах имеются дефекты. Например, в пустое место в ряду – "дырку" – может перескочить частица из соседнего ряда. В результате образуется новая "дырка". В нее может перескочить частица другого ряда и т.д. Именно благодаря дефектам кристаллического строения твердые тела способны диффундировать друг в друга.
Аморфные тела
Существуют тела, которые при плавлении не размягчаются, а из твердого состояния превращаются сразу в жидкость. Во время плавления таких тел всегда можно отделить жидкость от еще не расплавившейся (твердой) части тела. Эти тела – кристаллические. Существуют также твердые тела, которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Для таких тел невозможно указать температуру, при которой они превращаются в жидкость (плавятся). Эти тела называют аморфными.
В противоположность кристаллам, которые почти вечно сохраняют собственную форму, аморфные тела даже при невысоких температурах обладают текучестью. Поэтому их можно рассматривать как очень густые и вязкие жидкости.
Строение аморфных тел. Исследования при помощи электронного микроскопа, а также при помощи рентгеновских лучей свидетельствуют, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. Кристаллическое состояние кварца получается, если расплавленный кварц охлаждать медленно. Если же охлаждение расплава будет быстрым, то молекулы не успеют "выстроиться" в стройные ряды, и получится аморфный кварц.
Частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются. Они чаще, чем частицы кристаллов могут перескакивать с места на место. Этому способствует и то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно: между ними имеются пустоты.
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (несколько месяцев, лет) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или свежий мед, оставленные в покое в теплом месте, через несколько месяцев становятся непрозрачными. Говорят, что мед и леденцы "засахарились". Разломив леденец или зачерпнув мед ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Межмолекулярные силы притяжения-отталкивания заставляют частицы аморфного тела перескакивать преимущественно туда, где имеются пустоты. В результате возникает более упорядоченное, чем прежде расположение частиц, то есть образуется поликристалл.
Жидкие тела
Отличительным признаком жидкости является текучесть – способность изменять форму за малое время под действием даже малой силы. Благодаря этому свойству все жидкости льются в виде струй, разбрызгиваются каплями, принимают форму того сосуда, в который их нальют.
Способность изменять форму у разных жидкостей выражена по-разному. Под действием одной и той же силы (силы тяжести) меду требуется больше времени, чтобы изменить свою форму, чем воде. Говорят, что эти вещества обладают неодинаковой вязкостью: у меда она больше, чем у воды.
Однако, изменяя форму, жидкость не изменяет своего объема. Свойство жидкости сохранять объем иначе называют упругостью жидкости. Еще одним общим свойством всех жидкостей является их способность передавать во все стороны оказываемое на них давление (закон Паскаля). Менее вязкие жидкости делают это быстро, а вязкие – долго. Давление, оказанное на спирт или воду, быстро распространится даже на большое расстояние. А давление, оказанное на густое масло или мед, будет распространяться гораздо медленнее.
Строение жидкостей. В молекулярно-кинетической теории считается, что в жидкостях, как и в аморфных телах, нет строгого порядка в расположении частиц; в разных частях тела они расположены неодинаково плотно. Поэтому межмолекулярные промежутки имеют различные размеры, в том числе и такие, что туда может поместиться еще одна молекула. Это позволяет частицам перескакивать в близлежащие "дырки". Такие перескоки частиц в жидкостях происходят очень часто: несколько миллиардов раз в секунду.
В случае, если на жидкость подействует какая-нибудь внешняя сила, например, сила тяжести, перескоки частиц будут происходить, в основном, в направлении ее действия (то есть вниз). Это приведет к тому, что жидкость примет форму вытягивающейся капли или льющейся струи. Следовательно, текучесть жидкостей объясняется частыми перескоками их частиц из одного устойчивого положения в другое.
В вязких жидкостях, например, меде, перескоки частиц из одного устойчивого положения в другое происходят значительно реже, чем, например, в воде или спирте. Поэтому под действием внешней силы вязкая жидкость будет медленнее изменять свою форму; на это ей на потребуется больше времени. Однако частые ли, редкие ли – любые – перескоки частиц также обуславливают передачу жидкостями давления во всех направлениях (закон Паскаля).
Перескоки частиц жидкостей происходят часто, однако примерно в 100 раз чаще частицы совершают колебания в месте своего последнего перескока. В это время они непрерывно соударяются друг с другом, поэтому даже малое сжатие жидкости приводит к резкому "ожесточению" соударений частиц. Это означает резкое повышение давления жидкости на стенки сосуда, в котором ее сжимают. Другими словами, жидкость будет оказывать сильное сопротивление сжатию. Этим и объясняется упругость жидкости.
Газообразные тела
Газ – состояние вещества, при котором тело быстро меняет форму и объем под действием даже малой силы. При давлениях, близких к атмосферному, расстояния между частицами газа значительно больше собственных размеров частиц. Частицы газа свободно летают по всему объему сосуда, соударяясь друг с другом и стенками сосуда.
Удары частиц газа о стенки сосуда создают давление газа. Парообразование происходит при любой температуре. При повышении температуры парообразование ускоряется. Парообразование ускоряется также при увеличении площади поверхности тела. Особенно быстро парообразование происходит при кипении, так как жидкость испаряется не только с поверхности, но и внутрь образующихся пузырьков пара.
Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Из всех паров данной жидкости при данной температуре насыщенный пар имеет наибольшую плотность. Давление насыщенного пара не зависит от количества жидкости и пара.
Относительной влажностью воздуха называется физическая величина, равная отношению плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре. Относительную влажность воздуха обычно выражают в процентах. Гигрометры и психрометры – приборы для измерения относительной влажности воздуха.
Заключение
Молекулярная гипотеза оставалась лишь гипотезой целых два тысячелетия. Красивой, во многих случаях очень удобной, но – гипотезой. Что же должно было произойти для превращения этой золушки-гипотезы в принцессу-теорию? Важным этапом превращения гипотезы в научную теорию является предсказание фактов, которые могут быть подтверждены экспериментально.
Список литературы
- 1. Богаткина Л.Б. «Об использовании учебников и
учебно-методических пособий по физике в 2004/2005 учебном году» «Физика в школе», 2004, №5, стр.23-28 - 2. Касьянов В.А. «Единый государственный экзамен по физике в России и SAT-II в США» «Физика («Первое сентября»)», 2003, № 40 (23-31 октября), стр.2-6
- 3. Мошейко Л.П. «УМК нового поколения» «Открытая школа», 2004, №4, стр.27-28
- 4. Орлов В.А. «Учебно-методический комплект В.А. Касьянова» «Физика в школе», 2003, №2, стр. 65
- 5. Шабалкина Н. «Выбор без проблем. Преимущества комплекта очевидны» «Учительская газета», 2004, №40 (4.10.2004), стр.11
- 6. Шаронова Н.В. «Сейчас, а не потом! Физика в период модернизации школьного образования» «Учительская газета», 2003, №11-12 (18.03.2003), стр.41