ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ СЕМЕЙ қаласыныңШӘКӘРІМ атындағы МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ
3 деңгейлі СМЖ құжаты	ПОӘК	ПОӘК 042-18-38-11/03-2013
ПОӘК «Молекулалық физика» пәнінің Студенттерге арналған	№1 басылым 05.09.2013ж.

ПӘНІНІҢ ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК КЕШЕНІ

5В011000 - «Физика» мамандығы үшін

«Молекулалық физика»

ПӘНІНІҢ ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК МАТЕРИАЛДАРЫ

Семей

2014

МАЗМҰНЫ

1. Глоссарий

2. Дәрістер

3. Машықтану сабақтары

4. Зертханалық сабақтар

5. Студенттің өздік жұмысы

1 Глоссарий

абсолют қатты дене – кез-келген екі нүктесінің арасындағы ара қашықтық өзгермей қалатын дене (материалық нүктелер жүйесі);

абсолют серпімді дене – деформациясы оны тудыратын күштерге пропорционал Гук заңына бағынатын дене;

абсолют серпімді соқтығысу – нәтижесінже, соқтығысатын денелер жүйесінің механикалық энергиясы басқа энергия түрлеріне ауыспайтын соққы

абсолют серпімсіз соқтығысу – соқтығысқаннан кейін бірге, бір жылдамдықпен қозғалатын соққы;

айналмалы қозғалыс – айналу өсі деп аталатын қозғалмайтын перпендикуляр оське қатысты жазықтықта дененің барлық нүктелері қозғалады;

айналу периоды – толық бір тербеліс жасауға кеткен уақыт;

айналу жиілігі – бірлік уақытта жасалатын толық тербеліс саны;

амплитуда – тербелетін қалыптан ең үлкен ауытқу;

барометрлік формула- атмосфералық қысымның биіктікке байланысты экспоненциалды кемуін өрнектейтін формула;

бұрыштық үдеу – бұрыштық жылдамдықтың уақыт бойынша бірінші туындысына тең векторлық шама;

бұрыштық жылдамдық – бұрылу бұрышының бірінші туындысына тең айналу осіне қатысты оң бұрғы ережесімен анықталатын вектор;

бірқалыпсыз қозғалыс – бірдей уақыт аралығында әр түрлі жол жүретін дене қозғалысы;

бірінші текті мәңгі қозғалтқыш - сыртттан алған энергиядан артық жұмыс жасайтын, периодты әрекет ететін қозғалтқыш;

гармоникалық тербеліс- синус немесе косинус заң бойынша өтетін тербеліс;

герц (Гц) – уақыт бірлігі ішіндегі бір тербеліске сәйкес тербелістер жиілігінің бірлігі;

дене импульсі – сан жағынан дененің массасының жылдамдығына көбейтіндісіне тең және бағыты жылдамдықтың бағытымен бірдей векторлық шама;

Доплер эффектісі – тербелістер қабылдаушысымен шығарушы қозғалысына байланысты тербеліс жиілігінің өзгеруі;

жылу сыйымдылық - дененің температурасын бір кельвинге арттыру үшін оған жұмсалатын жылу мөлшеріне тең шама;

жылдамдық – қозғалыс тездігін сипаттайтын векторлық физикалық шама;

өлшемдерімен формасын ескермеуге болатын массасы бар дене;

еркін жүріс жолының ұзындығы- газ молекуласының кезектес екі соқтығысуларының арасындағы уақыт ішінде жүріп өтетін жолы;

инерттілік – сыртқы әсер тоқталған кезде дененің тыныштық қалпын сақтау қасиеті;

инерциалдық санақ жүйесі – еркін материалдық нүкте бірқалыпты және түзу сызықты қозғалатын жүйе;

инерциалдық емес санақ жүйесі – инерциалдық жүйеге қатысты үдеумен қозғалатын санақ жүйесі, мүнда Ньютон заңы да, импульстың сақтау заңы да, инерция заңы да , импульстың сақталу заңы да орындалмайды;

инерция (массалар центрі) – осы жүйенің массаларының таралуын сипаттайтын нүкте орны;

кинетикалық энергия – еркін қозғалып өшетін дененің механикалық энергиясы;

күш – денелердің бір-біріне әсерінің өлшемі бола алатын векторлық шама;

консервативті емес күш – егер осы күштердің істеген жұмысы нүктенің орын ауыстыру траекториясына тәуелсіз болған кездегі әсер ететін күш

идеал газ – бөлшектердің өзара әрекеттесуі есептке алынбайтын газдың теориялық моделі

математикалық маятник – салмақсыз. Созылмайтын жіпке ілінген және ауырлық күшінің әсерінен тербеле алатын материалдық нүкте;

материалдық нүкте – берілген жағдайда идеал сұйық – ішкі үйкеліс күштері жоқ сұйық;

механика – материалдық нүктелердің механикалық қозғалысын қарастыратын физиканың бөлімі;

молекулалық физика – заттың құрылысы мен қасиеттерін барлық денелер үздіксіз хаосты қозғалыстағы молекулалардан тұрады дегенге негізделген молекулалық – кинетикалық түсініктерді басшылыққа лаып қарастыратын физиканың бөлімі;

моль – молекулаларының немесе атомдарының саны Авогадро санына ( моль ) тең зат мөлшер;

нақты газ – қасиеттері молекулалардан өзара әрекеттесуіне тәуелді газсанақ жүйесі – басқа материалдық нүктелер қозғалысы қатысты қарастырылатын дене мен координаттар жүйесі және уақыт;

статика – күштің әсерінен материалық денелердің тепе-теңдік шартын қарастырады;

қозғалыс траекториясы – дененнің кеңістіктегі қалдырған ізі;

орын ауыстыру – дененің бастапқы және соңғы орындарын қосатын вектор;

орташа үдеу – жылдамдық өзгерісінің сол өзгеріс болған уақытқа қатынасына тең шама;

үдеудің тангенсал құраушысы – жылдамдық шамасының өзгеру тездігін сипаттайтын шама;

үдеудің нормаль құраушысы – жылдамдықтың бағыты бойынша өзгеру тездігін сипаттайтын шама;

ішкі күштер – механикалық жүйенің материалық нүктелері арасындағы әсерлесу күштері;

когерентті толқындар – уақыт бойынша фазалар айырымы тұрақты болып қалатын толқындар;

потенциалдық күш – орын ауыстыру жүмысы орын ауыстыру траекториясына тәуелсіз болатын жұмыс кезіндегі күш;

потенциалдық энергия – денелер жүйесінің өзара орналасуына және әсерлесу күштеріне қатысты анықталатын жүйенің механикалық энергиясы;

сыртқы күштер – жүйенің материалық нүктелеріне сыртқы денелердің әсер ету күші

термодинамика – жылулық қозғалыстың заңдылықтарын және оның заттың физикалық қасиеттеріне тигізетін ықпалын энергетикалық тұрғыдан қарастыратын ғылым

термодинамикалық жүйе - көп материалдық нүктелердің қосындысы деп саналады. Материалдық нүктелер ылғи хаотикалық қозғалысқа қатнасадыда, бір- бірімен кинетикалық энергиямен, жылдамдықпен, импульспен алмасады, бірақ олардың ішкі күй жағдайы өзгерілмейді

тепе-тең күйлер – үлкен уақыт аралығында тұйықталған жүйенің тепе-тең күйге көшкен күйі. Бұл уақыт релаксация уақыты деп аталады

термодинамиканың бірінші бастамасы – жылулық құбылыстарға арналған энергияның сақталу заңы

термодинамиканың екінші бастамасы – өздігінен температурасы төмен денеден температурасы жоғары денеге жылудың ауыса алмауы

термодинамиканың үшінші бастамасы – абсолют нөлге ұмтылғанда тепе-тең күйде дененің энтропиясының нөлге ұмтылуы

тепе-тең емес процестердің термодинамикасы – тепе –тең емес процестерді макроскопиялық сипаттаудың жалпы теориясы

термостат – тұрақты температураны ұстайтын прибор

толқындар интерференциясы – когерентті толқындардың қабаттасуы кезінде бірін-бірі күшейту немесе әлсірету құбылысы;

тұйық жүйе – сыртқы күштер әсер етпейтін жүйе;

толқын ұзындығы – бірдей фазада қозғалатын екі нүктенің ара қашықтығы

қуат – бірлік уақытта істелетін жұмысқа тең шама;

тыныштық энергиясы – дененің ішкі энергиясы, дененің барлық бөлшектерінің кинетикалық және потенциалдық энергияларының қосындысы;

тербелетін нүктенің ығысуы – тербелетін нүктенің тепе-теңдік қалпынан ауытқуы

фаза – айналатын дененің бұрылу бұрышы;

физика – материаның жалпы формалары және өзара түрленуі туралы ғылым, ол дәл ғылымдарға жатады және айналамыздағы процестермен құбылыстардың сандық заңдылықтарын зерттейді;

физикалық заңдар – табиғатта болатын тұрақты қайталанатын объективті заңдылықтар;

флуктуация – көп бөлшектерден тұратын жүйені сипаттайтын физикалық шамалардың орта мәндерінен кездейсоқ ауытқулары

электростатика- қозғалмайтын зарядтардың кеңістікте туғызған электр өрістерінің қасиеттерін зерттейтін физиканың бөлімі;

электр өрісі - көмегімен кеңістікте зарядтар арасындағы өзара әсерлесу жүзеге асатын материалдық орта;

электр өрісінің кернеулігі- өрістің берілген нүктесіндегі бірлік оң зарядқа әсер ететін күшпен анықталатын шама;

электр өрісінің потенциалы- өрістің берілген нүктесіндегі бірлік оң зарядтың потенциалдық энергиясымен анықталатын шама;

электр өрістерінің суперпозиция принципі- электр зарядтары жүйесінің қорытқы өрісінің кернеулігі әрбір жеке заряд туғызған өріс кернеуліктерінің векторлық қосындысына тең;

электрлік диполь- бір-бірінен белгілі бір ара қашықтықта орналасқан шамалары тең, таңбалары қарама-қарсы екі зарядтың жүйесін айтады.

электр тогы- зарядтың қандай да бір бет арқылы өтуі;

Тақырып: Молекула-кинетикалық теорияның негізгі қағидалары (3 сағ)

Негізгі сұрақтары:

1. Заттың МКТ-ның эксперименттік негізделуі

2. Газдың МКТ-нің негізгі теңдеуі

3. Температура, термометрлер, температуралық шкала

4. Газ заңдары

5. Идеал газ күйінің теңдеуі идеал газдың ішкі энергиясы

Идеал газдың молекулалық – кинетикалық теориясы.

Молекулалық физика және термодинамика макроскопиялық денелердің, былайша айтқанда, өте көп микробөлшектерден ( молекулалар, атомдар, иондар, электрондар т.с.с.) тұратын денелердің физикалық қасиеттерін зерттейтін физиканың бөлімдері. Осы қасиеттерді зерттеу үшін сапалы түрде алшақ және бірін-бірі толықтыратын екі әдіс қолданылады: молекулалы-кинетикалық (статистикалық) және термодинамикалық.

Жүйелерді құрайтын микробөлшектердің қозғалысы сипаттамаларының орташаланған мәндері негізінде макроскопиялық жүйелердің қасиеттерін зерттеу әдісі, молекулалы – кинетикалық (статистикалық) әдіс деп аталады.

Жүйелерде жүретін энергияның алмасу заңдарына сүйене отырып макроскопиялық жүйелердің қасиеттерін зерттеу әдісі термодинамикалық деп аталады.

Газдың күйі үш макроскопиялық параметрлермен сипатталады. температура – макроскопиялық жүйенің термодинамикалық тепе-теңдік күйін сипаттайтын физикалық шама.

- абсолют температура.

Бойль – Мариотт заңы

Изотермиялық процесс:

Газдың массасы тұрақты болсын _{, сонда}

9.1-сурет , немесе

Г ей-Люссак заңы

Изобарлық процесс:

_{тұрақты болсын ,}

_. Газдың массасы сонда ,

бұл жерде _{9.2-сурет} (9.2)

немесе (9.3)

Шарль заңы. И зохорлық процесс: Газдың массасы тұрақты)болсын , сонда бұл жерде

немесе

9.3-сурет

Авогадро заңы

Кез келген газдардың мольдері бірдей температура мен қысымда бірдей көлемдерді алады. Моль – 0,012 кг көміртегі құрамында қанша атом болатын болса, құрамында сонша молекулалары бар зат мөлшері. Бір моль зат мөлшерінде молекула бар. Қалыпты жағдайда ( , ) кез келген заттың 1 моль мөлшері мына көлемді қамтиды

_.

Дальтон заңы

Газ қоспасының қысымы сол газды құрайтын басқа газдардың парциалды қысымдарының қосындысына тең

_. (9.4)

Парциал қысым – газ қоспасының құрамына кіретін газдың қоспа алып тұрған көлемді жалғыз өзі қамтитындай жағдайда түсіретін қысымы.

Идеал газдың күй теңдеуі (Менделеев-Клапейрон теңдеуі)

Газдың массасы тұрақты болсын .

Газдың 1-ші ( ) күйден 2 – ші ( ) күйге өтуін қарастырайық. (9.4-сурет)

,

,

- ті шығарып тастай отырып, алатынымыз

, немесе

9.4-сурет

. (9.5)

Бұл – Клапейрон теңдеуі. - әртүрлі газдар үшін әртүрлі газ тұрақтылары. Менделеев Клапейрон теңдеуін Авогадро заңымен біріктірді. Бір моль үшін тұрақтысы барлық газдар үшін бірдей.

, мұндағы - универсал газ тұрақтысы.

Кез-келген массалы газ үшін . (9.5)

Идеал газдың молекулалы – кинетикалық теориясының негізгі теңдеуі.

И деал газ – келесі шарттарды қанағаттандыратын газ:

молекулалар - материялық нүктелер;

молекулалар арасындағы тарту күштерін елемеуге болады;

молекулалар арасындағы тебу күштері олар өзара соқтығысқан мезетте ғана ескеріледі.

Газ қысымы газ молекула-ларының ыдыс қабырғаларымен

(10.1-сурет) сансыз көп соқтығысуларының салдары болып табылады.

, мұнда - уақыт ішінде молекулалардың ыдыстың (10.2-сурет) қабырғасын соққылау саны.

(10.1)

10.2-сурет

Молекулалардың жылдамдықтары әртүрлі, сондықтан жылдамдықтардың квадратының орташа мәнін алу керек:

_.

_Сонда

_{, немесе} (10.2)

бұл жерде - молекулалардың ілгерілемелі қозғалысының орта кинетикалық энергиясы.

Идеал газдың молекулалық – кинетикалық теориясының (МКТ) негізгі теңдеуінің екі жағын да мольдік көлемге көбейтейік

_{Менделеев-Клапейрон теңдеуінен шығатыны}

.

Теңдеулердің оң жақтарын теңестіре отырып, алатынымыз

(11.1)

_{Жаңа тұрақтыны (Больцман тұрақтысы) енгізейік}

_{, сонда ,} (11.2)

_және

_.

_{Қыздырылған және суытылған газ барлық басқа денелер сияқты өзінің температурасымен сипатталады. Сондықтан температура мен молекулалардың орташа кинетикалық энергиясының арасында байланыс бар деп айта аламыз. Ондай байланыс теңдеуі жоғарыда алынған.}

(11.3)

_{Температураны тек жанама әдіспен ғана өлшеуге болады. Бұл әдіс тікелей және жанама өлшеулерге бағынатын дененің бірқатар физикалық қасиеттерінің температурадан тәуелділігіне негізделген . Мысалы, дененің температурасы өзгерген кезде оның ұзындығы, көлемі, тығыздығы, электр кедергісі, серпімділік қасиеттері қоса өзгереді. Оларды термометрлік шама деп атайды. Осы қасиеттердің кез-келгенінің өзгерісі температураны өлшеуге}

_{негіз болып табылады. Ол үшін термометрлік дене деп аталатын бір дене үшін берілген қасиеттің температурадан функционалды тәуелділігі белгілі болса жеткілікті. Термометрлік денелердің көмегімен құрылатын температуралық шкалаларды}

_{э мпирикалық деп атайды.}

_{11.1-сурет}

_{Халықаралық жүзградустік шкалада температура ºС-пен (Цельсия градусы) өлшенеді және t–мен белгіленеді. Қалыпты қысымда (1,01325·105 Па) мұздың еруі мен судың қайнау температуралары 0 ºС пен 100 ºС – қа тең деп есептелінеді.}

_{Температураның термодинамикалық шкаласында температура Кельвинмен (К) өлшенеді және Т– мен белгіленеді.}

_{Абсолют температура Т менжүзградустік шкала бойынша температураның арасындағы байланыс: Т=273,15+ t.}

_{Т=0(t=-273,150С)температураныңабсолют нөлі деп аталынады..}

Механикалық жүйенің і еркіндік дәрежелерінің саны деп оның кеңістіктегі орны мен конфигурациясын анықтайтын тәуелсіз координаталардың санын айтады.

Бір атомды молекула үшін і=3 , екі атомды молекула үшін і=5 , (3-ілгерілемелі, 2-айналмалы), үш атомды молекула үшін і=6(3- ілгерілемелі, 3—айналмалы).

Тақырып: Максвелл және Больцманның таратылуы (2 сағ)

Негізгі сұрақтары:

1. Молекулалардың жылдамдықтары бойынша таратулалары

2. Максвелл таратуларындағы негізгі жылдамдықтар

3. Барометрлік формула

4. Больцман таратылуы және теріс абсолюттік температура

5. Максвелл және Больцман таратуларының эксперименттік дәлелденуі

Жылдамдықтары белгілі v-дан v+∆v - ға дейінгі жылдамдықтың интервалында жататын газдың бірлік көлеміндегі ∆n молекулалардың санын іздеп көрелік. Оны мына түрде берейік

мұнда – пропорционалдық коэффициент. Бұл коэффициент жылдамдыққа тәуелді

_.

_{Сонда ,} (10.3)

_немесе

_.

Бұл жерде жылдамдықтары - дан - ға дейінгі интервалда жататын газдың бірлік көлеміндегі молекулалардың үлесі.

_{функциясы үлестірілу функциясы деп аталады. Шекке көше отырып мынаны аламыз: .}

_{Сонымен, үлестірілу функциясы – бірлік көлемнің ішіндегі газ молекулаларының кез-келген жылдамдықтың маңайында интервалында жататын жылдамдықты алу ықтималдылығы. Функцияның түрі былай беріледі}

(10.4)

10.3-сурет

функциясы нормалық шартты қанағаттандырады:

_{Идеал газдың молекулаларының жылдамдықтар бойынша үлестірілу функциясы максимал болған кездегі жылдамдық, ең ықтимал жылдамдық деп аталады:}

(10.5)

_{Орташа арифметикалық жылдамдық мына өрнектің көмегімен анықталады:}

_{, .} (10.6)

_{Молекулалардың орташа квадраттық жылдамдығы мына өрнектің көмегімен анықталады:}

_, (10.7)

_.

_{Молекула жылдамдықтары арасында мына байланыстар бар:}

_{Температура жоғарлаған кезде молекулалардың жылдамдықтар бойынша таралу функциясының максимумі оңға қарай жылжиды. Соған қарамастан қисықпен шектелген аудан тұрақты болып қалады.}

_{10.4-сурет}