Содержание и структура темы «Молекулярная физика». Формирование понятия «идеальный газ» и методика изучения основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа

Изучение молекулярной физики имеет большое значение для формирования научных взглядов на современную естественнонаучную картину мира. В разделе «Молекулярная физика. Тепловые явления» изучается качественно новые объекты - молекулы и молекулярные системы, а также новую форму движения - тепловую и соответствующую этой форме движения энергию - внутреннюю. Учитывая, что тепловые явления связаны с дискретной структурой вещества и огромным числом взаимодействующих частиц, для объяснения тепловых явления вводятся новые, не рассматриваемые в механике, физические понятия: идеальный газ, средняя квадратичная скорость и средняя кинетическая энергия молекул, температура, давление газа, внутренняя энергия и т.д.).

Одна из задач изучения молекулярной физики в средней школе – разъяснение сущности термодинамического и статистического методов описания поведения молекулярных систем. При изучении раздела важно показать взаимную дополняемость и относительную независимость термодинамического и статистического методов, их всеобщность для всей физики, а не только для объяснения тепловых явлений.

Необходимо сформировать у учащихся представления о том, что эти два подхода с разных точек зрения описывают состояния одного и того же объекта и поэтому, формируя такие понятия как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т.д. учитель должен раскрыть их содержание как с молекулярно-кинетической, так и с термодинамической точек зрения.

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два обстоятельства: избранный метод изучения газовых законов (индуктивный или дедуктивный) и метод введения понятия температуры.

В современном курсе физики принят дедуктивный подход изучения раздела. В начале изучается молекулярно-кинетическая теория идеального газа: формулируются и экспериментально обосновываются основные положения молекулярно-кинетической теории, вводится понятие идеального газа (молекулы рассматриваются как материальные точки, взаимодействующие только при непосредственном контакте по закону абсолютного удара), выводится основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа ( ), постулируют или выводят на основе мысленных экспериментов связь температуры со средней кинетической энергией его молекул ( ) и устанавливают уравнение состояния идеального газа ( ). При этом газовые законы рассматриваются как следствия уравнения состояния идеального газа и подтверждаются экспериментально. Далее изучаются законы термодинамики и рассматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Структура раздела в этом случае следующая: основы МКТ (основные положения МКТ, основное уравнение МКТ идеального газа)  температура (тепловое равновесие, температура, абсолютная температура, температура, как мера средней кинетической энергии молекул)  уравнение состояния идеального газа, газовые законы  свойства газов, жидкостей и твердых тел (взаимные превращения жидкостей и газов, твердые тела) основы термодинамики (внутренняя энергия и её изменение, работа в термодинамике, количество теплоты, первый закон термодинамики, тепловые двигатели, коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Существуют два определения понятия идеального газа: термодинамическое и молекулярно-кинетическое. В термодинамике под идеальным газом понимают газ, у которого при изотермическом процессе при постоянной массе давление обратно пропорционально его объему (или газ, в точности подчиняющийся газовым законам).

С молекулярно-кинетической точки зрения идеальный газ — это газ, молекулы которого представляют собой материальные точки, не взаимодействующие друг с другом на расстоянии, но взаимодействующие при столкновениях по закону абсолютно упругого удара. Принимая молекулы газа за материальные точки, исходят из того, что их суммарный объем много меньше объема сосуда и его можно не учитывать. Следует иметь в виду, что принятая модель идеального газа работает только тогда, когда газ находится в равновесном состоянии.

В зависимости от выбранной последовательности изучения материала ученикам дают либо термодинамическое определение понятия идеального газа, либо молекулярно-кинетическое.

В ыводу основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа должно предшествовать изучение таких понятий, как давление газа в МКТ и средний квадрат скорости теплового движения молекул. Изучение этих вопросов позволяет подготовить учащихся к восприятию вывода основного уравнения МКТ.

На данный момент существует несколько вариантов вывода основного уравнения МКТ, которые отличаются незначительными деталями при общем принципе, положенном в основу вывода: рассматривается изменение импульса стенки, с которой сталкиваются молекулы и вычисляют силу, с которой молекулы действуют на эту стенку.

При выводе основного уравнения МКТ газов рассматривают абсолютно упругие соударения молекул идеального газа с некоторой массивной стенкой (на рисунке стенка СD). Прежде чем приступить к выводу основного уравнения МКТ, необходимо повторить те основные понятия, которые придется использовать при выводе. К таким понятиям в первую очередь относится понятие идеального газа. Важно подчеркнуть, что движение каждой молекулы подчиняется законам Ньютона и взаимодействие их между собой и со стенками сосуда происходит по закону абсолютно упругого удара. При повторении теплового движения молекул необходимо еще раз обратить внимание учащихся на хаотичность данного движения, что позволит считать все направления движения равноправными и принять равными средние значения квадратов проекций скоростей на координатные оси. Целесообразно повторить понятие среднего квадрата скорости. Кроме того, при выводе основного уравнения МКТ используют ряд понятий и законов механики, которые также необходимо актуализировать: импульс тела, импульс силы, давление, второй и третий законы Ньютона.

Некоторую методическую трудность создает тот факт, что давление и импульс обозначаются одной буквой р, поэтому приходится подробно записывать все рассуждения. Логика рассуждений должна быть ясна и понятна учащимся.

Согласно ранее изученному, давление газа на стенку обусловлено ударами молекул. При ударе молекул о стенку, они передают ей импульс. Импульс, полученный стенкой равен суммарному изменению импульса всех молекул, которые ударились об неё.

В первую очередь вспоминается известная учащимся формула для нахождения давления тела на опору .

Затем из механики вспомиинается формула, связывающая импульс силы с изменением импульса тела.

,

Откуда можно сделать вывод, что сила равна изменению импульса стенки за единицу времени.

Каждая молекула массой m₀, подлетающая к стенке со скоростью v, проекция которой на ось ох равна v_х, передает стенке при абсолютно упругом ударе импульс 2m₀v_x.

Все молекулы, ударившиеся о стенку передадут ей суммарный импульс, равный