Дослид Штерна (физыка)

Вимірювання швидкості руху молекул. (Дослід О.Штерна.)

Пояснення будови твердих тіл, рідин і газів на основі атомно-молекулярного вчення про будову речовини. 10 клас.

Мета уроку: сформувати в учнів поняття про фізичні властивості речовин у різних агрегатних станах, використовуючи основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

Тип уроку: комбінований.

Обладнання: фільм «Швидкість молекул газу. Дослід Штерна», презентація «Отто Штерн».

Хід уроку.

І. Організаційний момент.

Оголошення теми і мети уроку.

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

Фізичний диктант.

І варіант.

1. Основні положення МКТ.

2. У чому полягає броунівський рух7

3. Формула кількості молекул.

4. 1 моль – це…

5. Молярна маса, одиниці вимірювання, означення, формула.

6. Знайти молярну масу речовини He, Cu, HPO.

ІІ варіант.

1. У чому полягає явище дифузії? В яких тілах вона відбувається?

2. Означення відносної атомної маси, формула.

3. Формула концентрації молекул.

4. Визначення маси молекули.

5. Кількість речовини, одиниці вимірювання, означення, формула.

6. Знайти молярну масу речовини Li, Fe, HSO.

ІІІ. Актуалізація опорних знань.

Пояснення нового матеріалу.

У вихідних положеннях МКТ стверджується, що молекули і атоми знаходяться у безперервному хаотичному русі. На відміну від руху молекул рідин і твердих тіл, молекули газу вільно рухаються між зіткненнями з іншими молекулами.

Виникає питання: які значення швидкостей руху молекул газу?

Вперше значення швидкостей молекул газу експериментально визначив у 1920 році німецький вчений Отто Штерн.

Отже розглянемо дослід Штерна, а саме: дослідну установку; проведення дослідів; результати дослідів; висновки з дослідів.

Швидкість молекул визначають наступним чином: в циліндрі 1 з вертикальною щілиною 2, з якого видалено повітря, знаходиться вольфрамова (платинова) нитка розжарювання, покрита, наприклад, сріблом. Циліндр 1 знаходиться в циліндрі 3, з якого також відкачали повітря. Якщо через вольфрамову нитку пропустити струм, то при її нагріванні срібло буде випаровуватися, причому частина молекул срібла буде проходити через щілину 2 циліндра 1 та потрапляти на внутрішню стінку циліндра 3, утворюючи при цьому наліт з металу.

Якщо цю установку привести в рухомий стан, то можна помітити зміщення місця нальоту метала у бік, протилежний обертанню. Це пояснюється тим, що поки молекули рухались від циліндра 1 до точки М на внутрішній стіні циліндра 3, положення точки М змістилося на відрізок МL. Якщо обидва циліндри рівномірно оберталися з кутовою швидкістю , то протягом часу , за який атоми срібла пролітали відстань від щілини до стінки зовнішнього циліндра, останній встигав повернутися на кут , і атоми потрапляли в інше місце. Коли б усі атоми рухалися з однаковою швидкістю , зображення щілини зміщувалося б, не змінюючи своєї форми, на деяку відстань , вимірявши яку можна обчислити швидкість атомів.

Зміщення зображення щілини , а час , тоді , звідки

Знаючи місто від щілини до точки М та відстань зміщення МL, число обертів установки і радіус зовнішнього циліндру, можна обчислити швидкість молекул. Цей дослід має назву дослід Штерна.

Чим більша швидкість молекул срібла, тим на більшу відстань вони зміщуються.

При проведенні досліду при різних температурах, з’ясувалося, що при збільшенні температури швидкість молекул збільшується, при зменшенні температури – зменшується.

- Чим пояснити те, що швидкість дифузії дуже мала порівняно з швидкістю руху атомів?

Значення середніх швидкостей молекул деяких газів (в м/с) при температурі 0ºС і нормальному атмосферному тискові:

азот – 454 м/с, водень – 1693 м/с, вуглекислий газ – 362 м/с, гелій – 1200м/с,

кисень – 425 м/с, пара води – 566 м/с.

Давайте згадаємо раніше вивчений матеріал у 7 класі.

Властивості газів:

Не зберігають ні форми, ні об'єму, легко стискуються.

Характер молекулярного руху - безладний, хаотичний рух.

Властивості рідин:

Зберігають об'єм, але не зберігають форми.

Основна властивість - плинність.

Характер молекулярного руху - коливання атомів та молекул відносно положення рівноваги та їх перескакування в інші позиції.

Властивості твердих тіл:

Зберігають надану їм форму, об'єм.

Характер молекулярного руху - коливання атомів та молекул відносно положення рівноваги.

Очевидно, що в твердому стані речовина перебуває тоді, коли атоми і молекули взаємодіють настільки сильно, що знаходяться у чітко фіксованих положеннях. Вони практично не переміщуються, а лише хаотично коливаються відносно своїх стабільних положень. Треба докласти певних зусиль, щоб тіло змінило надану йому форму. Наприклад, можна розплющити залізний цвях ударами молотка; виліпити фігуру з пластиліну. Проте якщо ми спробуємо зігнути скло, воно розкришиться. Разом з тим відомо, що майстри-склодуви виробляють чудові художні вироби, попередньо нагрівши скло до певної температури. Ковалі розжарюють у горнах металеві заготівки, щоб вони були податливіші під час кування. Тобто властивості твердого тіла залежать також від його температури.

Якщо підвищувати температуру, то настане момент, коли тверде тіло почне плавитися і перетвориться на рідину. Підвищення температури твердого тіла веде до послаблення зв'язків між атомами і молекулами. Тобто атоми і молекули твердого тіла внаслідок нагрівання набувають такої рухливості, що вже можуть, як у рідинах, стрибкоподібно пересуватися. У кристалічних тілах (наприклад, металах) це відбувається за певної температури, яку називають температурою плавлення. Так, температура плавлення алюмінію дорівнює 660 °С, заліза -- 1535 °С, вольфраму -- 3387 °С.

Якщо рідину охолоджувати, молекули поступово втрачають рухливість, оскільки зв'язки між ними посилюються. Вони починають займати певні положення, продовжуючи коливатися відносно них. За певної температури відбувається кристалізація, або тверднення, -- процес, зворотний до плавлення.

Що ж відбувається з рідиною зі зміною її температури?

Як відомо, молекули рідини взаємодіють таким чином, що утримуються одна біля одної, але не втрачають при цьому своєї рухливості. Вони коливаються і час від часу стрибкоподібно переміщуються, ніби просочуючись поміж сусідніми молекулами. Тому рідинам властива текучість і вони набувають форми посудини, в якій містяться.

Рідини випаровуються з вільної поверхні, яку вони утворюють на межі з газом. Це відбувається тоді, коли окремі молекули втрачають зв'язок з найближчими сусідами і починають вільно рухатися над поверхнею рідини.

Очевидно, що чим вища температура, тим більше молекул виривається з вільної поверхні рідини. Це підтверджує і наш життєвий досвід. Адже відомо, що в теплу погоду білизна висихає швидше, ніж у холодну.

Отже, перехід рідини у газоподібний стан відбувається внаслідок розриву зв'язків між її молекулами. Вони починають вільно рухатися в усьому наданому їм просторі, взаємодіючи лише під час короткочасних зіткнень. Їх можна порівняти із співударом кульок, які розлітаються тим дужче, чим з більшою швидкістю наближаються одна до одної.

Якщо температура газу знижується, то швидкість хаотичного руху молекул зменшується. За цих умов може статися, що окремі молекули, наближаючись одна до одної, починають взаємодіяти і «злипаються» в маленькі крапельки. Відбувається конденсація -- зворотний до випаровування процес, тобто перехід речовини із газоподібного в рідкий стан. Іноді цей процес називають скрапленням газу.

ІV. Закріплення нового матеріалу.

1. Чому в досліді Штерна повітря з циліндрів відкачувалося до високого вакууму7

2. Зображення щілини в досліді Штерна виявлялося розмитим. Про що це свідчить?

3. Пояснення будови твердих тіл, рідин і газів на основі атомно-молекулярного вчення про будову речовини.

V. Підсумок уроку.

Домашнє завдання: §6, вивчити конспект.

4