Билет №1

1. НМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ.

1)Значение и структура раздела «Молекулярная физика».

2)Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества.

1. Значение и структура раздела «Молекулярная физика» в школьном курсе физики.

В разделе «Молекулярная физика учащиеся изучают поведение качественно нового материального объекта; системы, состоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и соответствующий ей вид энергии (внутреннюю). Задача учителя рассмотреть в единстве два метода описания тепловых явлений и процессов

I. Значение ознакомить с методами описания физ-ой величины.

1.термодинамический основанный на понятии энергии,ее превращение и передачи 2.статистический, основанный на молекулярно-кинетических представлениях о строении вещества.

В связи с этим, формируя такие понятия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т.д., учитель должен раскрыть их содержание, как с термодинамической, так и с молекулярно-кинетической точки зрения

II. В разделе получают дальнейшее развитие энергетические представления, происходит

обобщение закона сохранения энергии на тепловые процессы, вводится формула первого закона термодинамики и рассматриваются применения этого закона к анализу конкретных процессов.

III.Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броуновское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газовые законы

(опыт Бойля, Шарля Ипр.). I. Структура раздела «Молекулярная физика» определяют два обстоятельства: Избранный метод изучения газовых законов (индуктивный или дедуктивный) влияет на: 1. метод изучения газовых законов

2. метод понятия температуры.

Методика изучения темы в школе.

Индуктивное - от частного к общему. При индуктивном изучении газовых законов вначале на качественном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики. Структура раздела:

-Основн. положение МКТ

-Основы термодинамики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абс. температура, 1й закон термод., ЗСЭ)

-МКТ идеального газа (МКТ газа, температура – мера средней кинетической энергии молекул, основное ур-ие)

– Свойства газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Дедуктивный – от общего к частному.

вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов (p=(2/3)kT)

- Осн. Уравнение ид. Газа МКТ(газовые моменты)

Структура раздела:

Основы МКТ осн. Уравнение: температура (тепловое равновесие, температура, абс. температура, температура

– мера средней кинетической энергии молекул. уравнение состояния идеального газа, газовые законы – первый закон термодинамики

– свойства газов, жидкостей и твердых тел.

Используем параллельный перенос:

1 Основы МКТ

2Основы термодинамики

3 Строение жидкостей, газа, тв.тела

4 Агрегатное представление

1Основные понятие этого раздела. Базовым понятием этого раздела тепловое дв-ие, Броуновское дв-ие, теплопроводность, теплопередача, излучение внутр. Энергия, испарение, плавление, отвердевание кристалла, понятие работы газа, влажность воздуха, уд. Теплоемкость, теплота, энергия топливо, 3 сост-е вещества, понятие диффузии выдел-х физ. Величины, темп-ра, кол-во теплоты.

2. Основы молекулярно-кинетической теории

2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Центральное понятие этой темы – понятие молекулы; сложность его усвоения школьниками связана с тем, что молекула объект, непосредственно не наблюдаемый. Поэтому учитель должен убедить школьников в реальности микромира, в возможности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул позволяющих вычислить их основные характеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул.

2.2. Идеальный газ

После рассмотрения понятия молекулы, авторы дают определение понятию идеальный газ с молекулярно-кинетической точки зрения. По программе общеобразовательной средней школы с понятием идеального газа учащихся впервые знакомят в старших классах. В зависимости от выбранной последовательности изучения материала школьникам дают либо термодинамическое определение понятия идеального газа, в котором при изотермическом процессе при постоянной массе давление обратно пропорционально его объему

2.3. Основное уравнение МКТ газов

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов рассматривают соударения молекул идеального газа с некоторой массивной стенкой. Исходят того, что движение молекул хаотично, поэтому все направления движения равновероятны и в каждый момент времени в среднем в противоположных направлениях движется одинаковое число частиц. учащиеся познакомились с понятиями молекула, и что она с собой представляет.

2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ.

Радиоактивные изотопы

 — это изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад.

 Большинство известных изотопов радиоактивны (стабильными являются лишь около 300 из более чем 3000).

 получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц.

 У любого химического элемента есть хотя бы несколько радиоактивных изотопов, в то же время далеко не у всех элементов есть хотя бы один стабильный изотоп.

 Известные изотопы всех элементов, которые в таблице Менделеева идут после свинца, радиоактивны.

Радиоактивные изотопы в медицине:

 Радиоактивный I используется для лечения базедовой болезни щитовидной железы;

 Интенсивное γ-излучение Co используется при лечении рака.

 Медицинский реактор, при помощи которого обычные вещества, предварительно введенные в организм и собравшиеся в пораженном болезнью участке, облучают потоком нейтронов и превращают в радиоактивные изотопы, излучения которых разрушают опухоль изнутри.

Радиоактивные изотопы в промышленности:

 Контроль износа поршневых колец в ДВС.

 γ-излучение используют для обнаружения дефектов в структурах металлических отливок.

Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве:

 облучение семян растений малыми дозами γ-лучей повышает урожайность;

 большие дозы радиации вызывают мутации у растений и появление мутантов с новыми свойствами – радиоселекция;

 γ-излучение радиоактивных изотопов применяется в борьбе с насекомыми-вредителями

Радиоактивные изотопы в археологии:

Метод радиоактивного углерода – метод определения возраста предметов органического происхождения.

В растениях всегда имеется ß-радиоактивный изотоп углерода 6C с Т=5700 лет. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст.

В настоящее время для получения искусственных радиоактивных изотопов в промышленности применяют три основных метода:

1) бомбардировка химических соединений и элементов ядерными частицами;

2) химическое разделение смеси изотопов;

3) выделение продуктов распада естественных радиоактивных изотопов.

Билет №2

1. ЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА РАЗДЕЛА «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА». ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА.

Молекулярная физика — раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела.

Основными доказательствами этих положений считались:

• Диффузия

• Броуновское движение

• Изменение агрегатных состояний вещества

  1. Значение раздела «Молекулярная физика»

I ступень –понятия на уровне представлений, а явления описывают качественно.

II ступень – количественное описание явлений. Глубже свойства газов, жидкостей, твердых тел. Обобщение закона сохранения энергии -> I начало термодинамики, II начало- факультативно, III- не изучается.

Дальнейшее знакомство с экспериментальным методом

• а) фундаментальные опыты Штерна

• б) броуновское движение

• в) мысленный эксперимент- вывод основного уравнения молекулярно- кинетической теории

• г)Опыты по установлению газовых законов (Бойля-М., Шарля….).

Мировоззренческое значение

1. Углубляются понятия материи: молекулы и атомы-

1) обладают массой, импульсом, энергией,

2) находятся в постоянном движении.

2. Тепловое движение описывается статистическими законами.

3. Возникает проблема соотношения статистических и динамических закономерностей. Отражение в них категорий необходимого и случайного. Диалектическое единство этих противоположных категорий в статистических закономерностях выступает непосредственно. В динамических законах необходимость выступает как абсолютная противоположность случайного. То есть изучение раздела «молекулярная физика» создает базу для формирования научного мировоззрения учащихся.

Образовательное значение

• Обобщение закона сохранения энергии: 1 начало термодинамики; 2 начало – факультативно, по желанию; 3 начало не изучается.

• Есть возможность демонстрации индуктивного и дедуктивного методов изучения явлений природы.

Политехническое значение раздела

• Материаловедение: повышение твердости, термостойкости, теплопроводности металлов и сплавов.

• Теплоэнергетика.

• Тепловые двигатели.

2. Структура раздела «Молекулярная физика»

1. Основные положения молекулярно- кинетической теории.

2. Газовые законы.

3. Молекулярно- кинетическая теория идеального газа.

4. Первый закон термодинамики.

5. Взаимные превращения жидкостей и газов.

6. Поверхностное натяжение.

7. Твердые тела.

Структура раздела зависит от применяемого метода обучения

Индуктивный метод используется, если уровень абстрактного мышления учащихся низок, тогда представления и понятия формируются на чувственно- конкретной основе.

Структура раздела при индуктивном методе обучения

основные положения молекулярно-кинетической теории;

основы термодинамики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термодинамики);

молекулярно-кинетическая теория идеального газа (основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, температура – мера средней кинетической энергии молекул);

свойства газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Дедуктивный метод

Количественно изучается молекулярно- кинетическая теория идеального газа: выводится основное уравнение кинетической теории газов PV=2/3nEk.

Связь температуры тела со средней кинетической энергией движения его молекул. E=3/2kT.

Уравнение состояния идеального газа PV=nkT или PV=m/m RT.

Газовые законы - следствие.

• Преимущества дедукции

• формирование научного мировоззрения,

• развитие мышления,

• выигрыш во времени

Недостатки дедуктивного метода

Не позволяет в достаточной степени реализовать принцип научности в обучении. Сложность заключается во введении понятия температуры.

Если E=3/2kT, то T~E - мера средней кинетической энергии движения молекул удельного газа.

Что измеряет термометр? mv2/2?

Учитывая E=3/2kT и p=nkT, то давление ~T.

0 температуре можно судить по величине давления. Газовый термометр.

Основные положения молекулярно- кинетической теории строения вещества

Новый материальный объект

• Система, состоящая из большого числа частиц (молекул и атомов);

• новая форма движения (тепловая), присущая именно этому объекту;

• новый вид энергии (внутренняя), соответствующая новой форме движения.

Базовый курс

Учащиеся научились объяснять целый ряд физических явлений;

изучили свойства веществ (свойства твердых тел, жидкостей и газов) с точки зрения внутренней структуры вещества;

сформированы понятия (давление, тепловые явления и пр.), составляющие содержание соответствующих тем.

Особенности базового курса: изучали на уровне представлений, а все явления описывали, в основном, качественно.

Старшая школа

дальнейшее развитие энергетических представлений учащихся,

происходит обобщение закона сохранения энергии и перенос на тепловые процессы,

вводится формула первого закона термодинамики и рассматриваются применения этого закона к анализу конкретных процессов.

дальнейшее знакомство с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броуновское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газовые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.);

есть возможность ознакомить учащихся с основами теплоэнергетики – отрасли, занимающей в нашей стране первое место в обеспечении энергией нужд промышленности и быта.

Понятие молекулы

Эксперименты, доказывающие существование и движение молекул позволяющие вычислить их основные характеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна).

Ознакомление учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул.

а) движение броуновских частиц вызывается ударами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены;

б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зависит от свойств вещества, в котором частицы взвешены;

в) движение броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся;

г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный, хаотический характер этого движения.

Опыты Броуна

а) движение броуновских частиц вызывается ударами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены;

б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зависит от свойств вещества, в котором частицы взвешены;

в) движение броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся;

г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный, хаотический характер этого движения.

2. ОСОБЕННОСТИ, УСПЕХИ И МЕСТО КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ СРЕДИ ДРУГИХ НАУК.

Квантовая механика волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов) а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах. Законы К. м. составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы К. м. лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. К. м. позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Существуют также явления (например, Джозефсона эффект), в которых законы К. м. непосредственно проявляются в поведении макроскопических объектов. Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан по существу на специфических законах К. м. Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантовомеханическая теория излучения. Законы К. м. используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Т. о., К. м. становится в значительной мере "инженерной" наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам. Место квантовой механики среди других наук о движении. В начале 20 в. выяснилось, что классическая механика И. Ньютона имеет ограниченную область применимости и нуждается в обобщении. Во-первых, она не применима при больших скоростях движения тел - скоростях, сравнимых со скоростью света. Здесь её заменила релятивистская механика, построенная на основе специальной теории относительности А. Эйнштейна (см. Относительности теория). Релятивистская механика включает в себя Ньютонову (нерелятивистскую) механику как частный случай. Ниже термин "классическая механика" будет объединять Ньютонову и релятивистскую механику. Для классической механики в целом характерно описание частиц путём задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени. Такому описанию соответствует движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако опыт показал, что это описание не всегда справедливо, особенно для частиц с очень малой массой (микрочастиц). В этом состоит второе ограничение применимости механики Ньютона. Более общее описание движения дает К. М., которая включает в себя как частный случай классическую механику. К. м., как и классическая, делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. В статье изложены основы нерелятивистской К. м. (Однако некоторые общие положения относятся к К. м. в целом. Нерелятивистская К. м. (как и механика Ньютона для своей области применимости) - вполне законченная и логически непротиворечивая теория, способная в области своей компетентности количественно решать в принципе любую физическую задачу. Релятивистская К. м. не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией. Если в нерелятивистской области можно считать, что движение определяется силами, действующими (мгновенно) на расстоянии, то в релятивистской области это несправедливо. Поскольку, согласно теории относительности, взаимодействие передается (распространяется) с конечной скоростью, должен существовать физический агент, переносящий взаимодействие; таким агентом является поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская К. м. В этой статье не будут рассматриваться вопросы релятивистской К. м., связанные с квантовой теорией поля.

Билет №3

1. О двух подходах.

Разница между механическими и тепловыми явлениями

Механика изучает свойства и поведение отдельных тел или систем, состоящих из относительно небольшого числа тел.

Молекулярная физика изучает системы, которые состоят из огромного числа частиц.

Первый подход в науке о тепловых явлениях

Первый подход – феноменологический основан на отборе и обобщении данных непосредственного наблюдения и опытов и получении некоторых общих законов.

Макроскопическую теорию тепловых процессов называют термодинамикой.

Второй подход

Второй подход - статистический (молекулярно-кинетический) основан на описании явлений с точки зрения микроклассической ­структуры тел. Теоретическое описание внутреннего механизма тепловых явлений дается молекулярно-кинетической теорией строения вещества.

Достоинства и ограниченность термодинамического подхода

+ Основные положения термодинамики базируются на опытных фактах, т.о. ее принципы и все выводы, вытекающие непосредственно из этих принципов, являются несомненно верными.

- Не вскрывается атомно-молекулярная картина таких основополагающих понятий как температура, внутренняя энергия и т.д.

Статистический подход дополняет описание

Описание тепловых явлений на атомно-молекулярном уровне дается статистической физикой. Подходя к изучению тепловых явлений с различных точек зрения, термодинамика и статистическая физика взаимно дополняют друг друга, образуя по существу одно целое.

Обычно части излагаются раздельно. В одних случаях феноменологическая термодинамика предшествует молекулярно-кинетической теории, в других последовательность этих частей обратная. В обоих случаях каждая из частей имеет свою логическую линию развития учебного материала.

Есть методические решения частичного или полного объединения термодинамического и статистического подхода к анализу тепловых явлений и процессов.

2. Кинетическая теория газов.

Кинетическая теория газов

Основы молекулярно-кинетической теории газов

- вещество состоит из частиц;

- эти частицы хаотично движутся;

- частицы взаимодействуют друг с другом.

Основы кинетической теории газов

Атомизм: 1) все атомы абсолютно тождественны и характеризуются вполне определенными признаками – массой -m, зарядом ядра, излучаемым спектром и прочими; 2) внутренние состояния атомов не непрерывны, а дискретны (энергия имеет дискретное состояние). Молекулы и атомы - неизменяемые материальные точки или идеально твердые шарики.

Закон сохранения энергии и импульса.

Метод математической теории вероятности.

Опыты, опытные факты.

Однако.

при увеличении энергии, например, при повыш Т0 ~ 1000-3000 К. такие представления недействительны. Молекулы диссоциируют на атомы. При Т ~ 10000К начинается ионизация, а при 10-100 млн. К0 начинается термоядерная реакция, процессы слияния и распада атомных ядер.

Вывод кинетической теории газов

Рассмотрим элемент объема с газом. Рисунок.

Объем dV = s ∙ Vix ∙ dt, следовательно число молекул,

ударяющихсяся оδ Zi = s ∙ Vix ∙ dt ∙ ni ,

F = ∑ s ∙ ni ∙ Vix ∙ pi

P = ∑ ni ∙ Vix ∙ Pix,

где ni – число молекул в объеме, Pi – кол-во дв-я 1 мол.

Введем среднее значение VxPx.

<VxPx> = 1/n ∑ ni ∙ Vix ∙ Pix ,

Тогда P = n < VxPx> ,

по определению V ∙ P = VxPx + VyPy +VzPz

<V ∙ P> = (VxPx) + (VyPy) + (VzPz) = 3(VP)

<V ∙ P> = 3 (VxPx); VxPx =1/3 ∙ n <V∙P>; n = N/V;

P ∙ V = 1/3 N <V ∙ P> = 2/3 Eкинет.

Билет 4.