Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая физика. Молекулярная физика. Учебно-методическое пособие
.pdf
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. И. ГЕРЦЕНА
ОБЩАЯ ФИЗИКА
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Учебно-методическое пособие
Под общей редакцией
профессора Ю. А. Гороховатского
Санкт-Петербург
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена
2024
УДК 539.1(07)
ББК 22.36я73
О 28
Д. Э. Темнов, Е. А. Карулина, Е. А. Волгина, О. В. Чистякова
Н. С. Каблукова, кандидат физико-математических наук, доцент, СанктПетербургский государственный университет промышленных
технологий и дизайна;
А. В. Марченко, доктор физико-математических наук, профессор, СанктПетербургский государственный педагогический университет
им. А. И. Герцена
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
РГПУ им. А. И. Герцена
Авторы:
Рецензенты:
О 28 Общая физика. Молекулярная физика :
пособие / Д. Э. Темнов, Е. А. Карулина, Е. А. Волгина, О. В. Чистякова ;
под общ. ред. проф. Ю. А. Гороховатского. — Санкт-Петербург :
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2024. — 220 с.
ISBN 978-5-8064-3546-1
В пособии рассмотрены вопросы курса общей и экспериментальной
физики «Молекулярная физика», предложены разноуровневые по
сложности и трудоемкости виды заданий, вопросы для самоконтроля,
основные типы задач, материалы для промежуточного и итогового
контроля. Также имеются методические рекомендации для
преподавателей, где указывается, в какой последовательности
целесообразно изучать материал дисциплины и обращается внимание на
особенности изучения отдельных тем.
учебно-методическое
ISBN
978-5-8064-3546-1 © РГПУ им. А. И. Герцена, 2024
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ....................................................................................................... 5
Рабочая программа дисциплины «Молекулярная физика
и термодинамика» в курсе «Общая физика»
Цели, задачи изучения дисциплины, ее содержание ......................... 7
Тематический план дисциплины ......................................................... 9
Темы докладов, которые могут быть предложены в качестве
самостоятельной работы студентов ............................................................
Темы семинарских занятий и краткие методические указания ...... 14
Список лабораторных работ физического практикума ................... 26
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
обучающихся
Общий физический практикум (лабораторные работы)
Лабораторная работа № 1. Броуновское движение ................................28
Лабораторная работа № 2. Измерение коэффициента диффузии
паров в воздухе...............................................................................................
Лабораторная работа № 3. Измерение коэффициента вязкости
газов и определение газодинамических параметров ................................
Лабораторная работа № 4. Измерение коэффициента
вязкости жидкости .....................................................................................
13
33
37
41
Лабораторная работа № 5. Изопроцессы в газе. Измерения C
Лабораторная работа № 6. Поверхностное натяжение........................ 52
Лабораторная работа №7. Тепловое расширение....................................
Лабораторная работа № 8. Определение теплоты плавления...............
Лабораторная работа № 9. Измерение теплоемкости...........................
Лабораторная работа № 10. Определение
коэффициента теплопроводности твердых тел .....................................
3
P/CV.
......46
59
62
66
71
Лабораторная работа № 11 Влажность воздуха ....................................76
Основные типы задач по курсу «Молекулярная физика» и примеры их
решения
Семинар 1. Молекулярное строение вещества.
Основное уравнение МКТ .............................................................................
Семинар 2. Уравнение Менделеева — Клапейрона. Изопроцессы.... 89
Семинар 3. Элементы статистической физики .............................103
Семинар 4. Столкновение молекул. Явления переноса.
Разреженные газы ......................................................................................
Семинар 5. Первое начало термодинамики.
Теплоемкость идеального газа ..................................................................
Семинар 6. Ц иклические процессы. Цикл Карно..............................
Семинар 7. Уравнение теплового баланса. Энтропия ....................
Семинар 8. Элементы неравновесной термодинамики...................
Семинар 9. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическое
состояние.....................................................................................................
Семинар 10. Насыщенный пар. Влажность воздуха ......................
Семинар 11. Поверхностное натяжение.
84
116
129
140
148
159
159
166
Капиллярные явления. Свойства растворов ............................................
Семинар 12. Твердые тела. Фазовые переходы...............................
Справочная информация ............................................................................
172
181
189
Примерные вопросы к экзамену ...................................................... 192
Примерные контрольные работы и тесты ...................................... 196
Темы докладов................................................................................... 210
Библиографический список ................................................................. 213
Введение
По традиции подготовки физиков в университетах России раздел
«Молекулярная физика и термодинамика» является составной частью общего
курса физики, и этим определяются его цели и задачи.
Предлагаемое пособие является продолжением серии УМК (учебнометодических комплексов) общего курса физики: «Механика», «Электричество
и магнетизм», «Оптика». Принципы отбора и структурирования учебного
материала в пособии обусловлены потребностями высшего профессионального
образования и требованиями государственного стандарта.
Следует отметить, что курсами «Механика» и «Молекулярная физика
и термодинамика» начинается обучение на первом курсе. Процесс адаптации
первокурсников к условиям вузовского обучения сопровождается
определенными трудностями. Настоящее пособие призвано стать инструментом
адаптации обучающихся к особенностям информационно-образовательной
среды в вузе.
Курс «Молекулярная физика и термодинамика» строится сообразно
исторической последовательности формирования научных представлений.
В пособии учебный материал представлен таким образом, чтобы
обучающийся имел возможность изучать курс молекулярной физики
самостоятельно, а преподаватель — выполнять контролирующую
и консультирующую роль.
В пособии дан подробный тематический план дисциплины, выработанный
на основании многолетнего опыта чтения лекций по разделу «Молекулярная
физика и термодинамика». Курс разбит на темы, к каждой теме подобран ряд
вопросов, позволяющий студенту самому оценивать степень усвоения им
теоретического материала. Кроме того, к каждой теме подобраны задачи, часть
из которых решена в качестве примера, часть рекомендована для решения
в аудитории, часть — для самостоятельного решения.
В пособии представлен физический практикум по молекулярной физике
и термодинамике, что дает возможность обучающимся готовиться
к лабораторным работам заранее.
5
В пособии также представлены справочные материалы. Даны примерные
вопросы к экзамену, примерные контрольные работы и тестовые задания.
Кроме того, по каждой теме практических занятий имеются методические
рекомендации для преподавателей, определяющие в какой последовательности
целесообразно изучать материал дисциплины.
6
Рабочая программа дисциплины
«Молекулярная физика и термодинамика»
в курсе «Общая физика»
Цели, задачи изучения дисциплины, ее содержание
Целью изучения курса «Молекулярная физика» является формирование
у обучающихся представлений об основных закономерностях поведения систем
многих частиц.
Задачи изучения дисциплины:
дать систематическое изложение основ современной физики
молекулярных систем;
сформировать у обучающихся представления о природе вероятностных
закономерностей в окружающем мире;
сформировать представление о современных методах проведения
эксперимента, а также сформировать умения и навыки применения
методов математической обработки экспериментальных результатов;
обеспечить формирование способности использовать современные
информационные и коммуникационные технологии для поиска,
хранения, обработки и представления информации;
обеспечить формирование умения учиться самостоятельно, т. е.
овладевать методами, способами и приемами самообучения,
саморазвития и самоконтроля.
Для достижения поставленной цели необходимо чтобы студенты
в результате
знали:
основные этапы развития идей молекулярной физики и термодинамики;
основные физические понятия, принципы и закономерности процессов,
протекающих в атомно-молекулярных системах (системах многих
частиц);
фундаментальные физические эксперименты;
7
умели:
применять молекулярно-кинетическую теорию:
а) для оценки
– числа молекул в данном количестве вещества;
– энергии взаимодействия молекул;
– скорости теплового движения молекул газа;
– среднего расстояния между молекулами в газе, а также в жидкости,
твердом теле;
– средней длины свободного пробега молекул;
– среднего времени свободного пробега;
б) для упрощенного вычисления
– постоянных Ван-дер-Ваальса;
– коэффициента поверхностного натяжения;
– коэффициента линейного расширения твердых тел;
– коэффициента диффузии, вязкости, теплопроводности газов;
в) для вывода зависимости давления насыщенного пара от температуры,
используя распределение Больцмана
– демонстрировать владение основными понятиями и законами
термодинамики при выполнении простейших расчетов и выводов;
– для вычисления работы и теплоты для разных изопроцессов
с идеальным газом;
– для вывода уравнения Клапейрона — Клаузиуса методом цикла Карно;
– для вывода зависимости давления насыщенного пара от температуры,
используя цикл Карно;
– для доказательства изоэнтальпийности процесса Джоуля — Томсона;
– для графического изображения процессов на разных координатных
плоскостях.
– описывать физические явления и процессы, используя физическую
научную терминологию;
– уметь решать задачи, иллюстрировать и объяснять физические явления
и закономерности в соответствии с учебной программой курса;
владели:
навыками в постановке физического эксперимента (умениями грамотно
планировать эксперимент, правильно подбирать необходимые
8
приборы, выполнять измерения и обрабатывать результаты измерений,
оценивать их точность, находить источники ошибок);
навыками в использовании современных информационных
и коммуникационных ресурсов для решения учебных
и исследовательских задач профессиональной деятельности;
навыками совместной деятельности, ведения дискуссии и уважительного
отношения к мнению оппонента при обсуждении проблем
естественнонаучного содержания; готовностью к морально-этической
оценке использования научных достижений.
Тематический план дисциплины
Введение. Структура и основные свойства молекул. Область
существования молекулярного состояния. Взаимодействие молекул
и агрегатные состояния вещества. Методы изучения и описания атомномолекулярных систем.
Динамические и вероятностные закономерности в механике. Неустойчивые
состояния, бифуркации. Динамический хаос.
Системы с большим числом частиц. Макроскопические
и микроскопические параметры. Термодинамические и статистические методы
исследования и описания систем с большим числом частиц.
История формирования основ молекулярно-кинетической теории в физике.
Молекулярно-кинетическое и термодинамическое описание
закономерностей газового состояния вещества. Экспериментальные газовые
законы. Уравнение Клапейрона — Менделеева. Основные положения
молекулярно-кинетической теории и их экспериментальное обоснование.
Модель идеального газа в молекулярно-кинетической теории. Основанные на
опыте представления о давлении газа и методах его измерения. Основанное на
опыте понятие о температуре и методах ее измерения. Идеально газовая шкала
абсолютной температуры. Физический смысл температуры в молекулярнокинетической теории. Понятие о состоянии термодинамического равновесия
системы. Реальные процессы, их неравновесность и необратимость.
Элементы статистики. Распределение средней кинетической энергии по
степеням свободы в условиях термодинамического равновесия. Газ во внешнем
9
поле (поле силы тяжести) в условиях термодинамического равновесия.
Распределение молекул в зависимости от потенциальной энергии (от
координат). Барометрическая формула Больцмана. Возможности применения
к описанию атмосферы.
Распределение Максвелла молекул по проекциям и векторам скоростей
в условиях равновесия. Распределение Максвелла молекул по абсолютным
значениям скоростей. Определение средних значений физических величин на
основе функции распределения. Характерные скорости максвелловского
распределения. Распределение Максвелла по относительным значениям
скоростей. Функция распределения Максвелла — Больцмана молекул по
энергиям.
Явления переноса. Взаимодействие молекул газа. Потенциальная энергия
взаимодействия молекул. Температура и агрегатные состояния вещества.
Взаимодействие молекул в модели идеального газа. Понятие о сечении
рассеяния, частоте столкновений и средней длине свободного пробега молекул.
Функция распределения молекул газа по длинам свободного пробега
и средняя длина свободного пробега. Явление диффузии. Стационарная
диффузия. Закон Фика. Явление теплопроводности. Стационарная
теплопроводность. Закон Фурье. Явление внутреннего трения (вязкости).
Стационарный перенос импульса. Закон Ньютона. Основные представления
молекулярно-кинетической теории явлений переноса. Общий подход
к описанию стационарных явлений переноса. Молекулярно-кинетическое
описание явления диффузии. Коэффициент диффузии. Молекулярнокинетическое описание вязкости. Коэффициент вязкости. Молекулярнокинетическое описание теплопроводности. Коэффициент теплопроводности.
Соотношения между коэффициентами переноса. Общий характер механизмов
переноса в газах.
Нестационарные явления переноса в газах. Понятие
о макроскопическом времени релаксации отклонений от равновесия в газах.
Вакуум. Методы получения и измерения. Особенности явлений переноса
в вакууме.
Броуновское движение. Экспериментальное наблюдение. Роль
в формировании основных представлений молекулярной физики (опыты
Перрена). Уравнение Ланжевена для описания движения броуновской частицы
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]