Тема 2.4.Динаміка обертального руху (самостійна робота). (2 год.)

Тема 3.1.Імпульс тіла. Кінетична і потенціальна енергії. Закон збереження енергії. (2 год.)

Мета: : ознайомити студентів з поняттями імпульсу, енергії, роботи; законом збереження імпульсу в природі й техніці, їх важливість у життєдіяльності людини. Навчити студентів обґрунтовувати реактивний рух як прояв закону збереження імпульсу, застосовувати теоретичні відомості для розв’язання задач за темою, розвивати розумові дії узагальнення й систематизації, які сприяють розвитку фізичного мислення студентів.

План.

1. Імпульс тіла.

2. Енергія. Закон збереження енергії.

3. Види механічної енергії.

4. Механічна робота. Ротужність.

5. Прості механізми.

Вивчення нового матеріалу.

Робота постійної сили - це скалярний добуток сили на переміщення:

При співударі абсолютно пружних тіл зберігається їх сумарна кінетична енергія і сумарний імпульс.

Абсолютно непружний удар -зіткнення двох тіл, у результаті якого тіла об’єднуються, рухаючись далі як єдине ціле у напрямку руху тіла, що мало більший імпульс.

Важіль — це однорідний стрижень, який має точку опори або підвіс.

Важіль, у якого вісь обертання перебуває в середині важеля,-важіль першого роду.

Важіль, у якого вісь обертання перебуває на кінці важеля,-важіль другого роду.

Правило рівноваги важеля (установлене Архімедом):важіль перебуває в рівновазі, коли діючі на нього сили (F1, F2 )обернено пропорційні плечам сил.

Такий блок не дає виграшу в силі, але дає можливість змінювати напрям дії сили .

Рухомий блок піднімається і опускається разом з вантажем. Рухомий блок дає виграш у силі в два рази .

Запитання для самоперевірки:

1. Потенціальна енергія – це …..

2. Назвіть основоположника теорії міжпланетних сполучень.

3. Назвіть конструктора космічних кораблів Восток і Восход.

4. Повна механічна енергія – це …..

5. Закон збереження енергії в механіці формулюється так…

6. Енергія – це…..

7. Енергію позначають символом…..

8. Реактивний рух – це….

9. Назвіть піонера освоєння космосу.

10. Коли вперше було запущено перший штучний супутник Землі?

11. Одиниця енергії – це….

12. Кінетична енергія залежить від….

13. Замкнена система – це….

14. Елементарні частинки нейтрино мають….

15. Одиниця роботи – це…..

16. Назвіть дату першого польоту людини в космос.

17. Закон збереження імпульсу пов'язаний з……

Тема 5.1. Основні положення молекулярно-кінетичної будови речовини та її дослідні обґрунтування. (2 год.)

Мета: сформулювати основні положення молекулярно-кінетичної теорії, поняття броунівського руху, поняття моль, молярна маса, стала Авогадро та молекулярні сили;

показати сутність фізичних явищ, керуючись основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії; довести за допомогою дослідів реальне існування частинок речовини, їх постійний хаотичний рух всередині речовини; назвати приклади врахування і практичного використання дифузії та броунівського руху; навчити студентів знаходити масу і розмір молекул; розвивати вольові якості: трудолюбство, відповідальність;

прививати інтерес до знань, предмету.

План.

1. Основні положення МКТ.

2. Броунівський рух. Дифузія.

3. Молекулярна будова твердих, рідких та газоподібних тіл.

4. Маса і розміри молекул.

Вивчення нового матеріалу.

Молекулярна фізика і термодинаміка - це посуті дві різні по своїх підходах, але тісно пов'язані науки, що займаються одним і тим же, - вивченням макроскопічних властивостей фізичних систем, але абсолютно різними методами.

У основі молекулярної фізики або молекулярно-кінетичної теорії лежать певні уявлення про будову речовини. Для встановлення законів поведінки макроскопічних систем, що складаються з величезного числа часток, в молекулярній фізиці використовуються різні моделі речовини, наприклад, моделі ідеального газу.

Молекулярна фізика є статистичною теорією, тобто теорією, яка розглядає поведінку систем, що складаються з величезного числа часток (атомів, молекул), на основі імовірнісних моделей. Вона прагне на основі статистичного підходу встановити зв'язок між експериментально виміряними макроскопічними величинами (тиск, об'єм, температура і так далі) і мікроскопічними характеристиками часток, що входять до складу системи (маса, імпульс, енергія і так далі).

На відміну від молекулярно-кінетичної теорії, термодинаміка при вивченні властивостей макроскопічних систем не спирається ні на які уявлення про молекулярну структуру речовини. Термодинаміка є наукою феноменологічною. Вона робить висновки про властивості речовини на основі законів, встановлених на досвіді, таких, як закон збереження енергії. Термодинаміка оперує тільки з макроскопічними величинами (тиск, температура, об'єм і тому подібне), які вводяться на основі фізичного експерименту.

Обидва підходи - термодинамічний і статистичний - не суперечать, а доповнюють один одного. Тільки спільне використання термодинаміки і молекулярно-кінетичної теорії може дати якнайповніше уявлення про властивості систем, що складаються з великого числа часток.

Основні положення МКТ

Молекулярно-кінетичною теорією називають вчення про будову і властивості речовини на основі уявлення про існування атомів і молекул як найменших часток хімічних речовин.

У основі молекулярно-кінетичної теорії лежать три основні положення:

Усі речовини - рідкі, тверді і газоподібні - утворені з найдрібніших часток - молекул, які самі складаються з атомів ("елементарних молекул"). Молекули хімічної речовини можуть бути простими і складними, тобто складатися з одного або декількох атомів. Молекули і атоми є електрично нейтральними частками. За певних умов молекули і атоми можуть придбавати додатковий електричний заряд і перетворюватися на позитивні або негативні іони.

Атоми і молекули знаходяться в безперервному хаотичному русі.

Частки взаємодіють один з одним силами, що мають електричну природу. Гравітаційною взаємодією між частками можно знехтувати .

Малюнок 1

Найбільш яскравим експериментальним підтвердженням представлень молекулярно-кінетичної теорії про безладний рух атомів і молекул є броунівський рух. Це тепловий рух найдрібніших мікроскопічних часток, зважених в рідині або газі. Він був відкритий англійським ботаніком Р. Броуном в 1827 р.. Броунівські частки рухаються під впливом безладних ударів молекул. Із-за хаотичного теплового руху молекул ці удари ніколи не урівноважують один одного. В результаті швидкість броунівської частки безладно міняється по модулю і напряму, а її траєкторія є складною зигзагоподібною кривою (мал. 1). Теорія броунівського руху була створена А. Ейнштейном в 1905 р.. Експериментально теорія Ейнштейна була підтверджена в дослідах французького фізика Ж. Перрена, проведених в 1908-1911 рр.

Головний висновок теорії А. Ейнштейна полягає в тому, що квадрат зміщення <r2> броунівської частки від початкового положення, усереднений по багатьох броунівських частках, пропорційний часу спостереження t.

<r2> = Dt.

Це співвідношення виражає так званий дифузійний закон. Як випливає з теорії коефіцієнт пропорційності D монотонно зростає із збільшенням температури.

Постійний хаотичний рух молекул речовини проявляється також в іншому легко спостережуваному явищі - дифузії.

Дифузія — це процес перерозподілу концентрації атомів у просторі шляхом хаотичної, тобто теплової, міграції. Осмос — одностороння дифузія.

Найшвидше процес протікає в газі, якщо він неоднорідний по складу. Дифузія призводить до утворення однорідної суміші незалежно від щільності компонентів. Так, якщо в двох частинах посудини, розділених перегородкою, знаходяться кисень O2 і водень H2, то після видалення перегородки починається процес взаємопроникнення газів один в одного, що призводить до утворення вибухонебезпечної суміші - гримучого газу. Цей процес йде і у тому випадку, коли легкий газ (водень) знаходиться у верхній половині посудини, а важчий (вислород) - в нижній.

Значно повільніше протікають подібні процеси в рідинах. Взаємопроникнення двох різнорідних рідин один в одного, розчинення твердих речовин в рідинах (наприклад, цукру у воді) і утворення однорідних розчинів - приклади дифузійних процесів в рідинах.

У реальних умовах дифузія в рідинах і газах маскується швидшими процесами перемішування, наприклад, із-за виникнення конвекційних потоків.

Найповільніше процес дифузії протікає в твердих тілах. Проте, досліди показують, що при контакті добре очищених поверхонь двох металів через тривалий час в кожному з них виявляється атоми іншого металу.

Дифузія і броунівський рух - споріднені явища. Взаємопроникнення дотичних речовин один в одного і безладний рух найдрібніших часток, зважених в рідині або газі, відбуваються внаслідок хаотичного теплового руху молекул.

Сили, діючі між двома молекулами, залежать від відстані між ними. Молекули є складними просторовими структурами, що містять як позитивні, так і негативні заряди. Якщо відстань між молекулами досить велика, то переважають сили міжмолекулярного притягання. На малих відстанях переважають сили відштовхування. Залежності результуючої сили F і потенційній енергії Eр взаємодії між молекулами від відстані між їх центрами якісно зображені на мал. 2. При деякій відстані r = r0 сила взаємодії перетворюється на нуль. Цю відстань умовно можна прийняти за діаметр молекули. Потенційна енергія взаємодії при r = r0 мінімальна. Щоб видалити один від одного дві молекули, що знаходяться на відстані r0, треба повідомити їм додаткову енергію E0. Величина E0 називається енергією зв'язку.

Малюнок 2

Молекули мають надзвичайно малі розміри. Прості одноатомні молекули мають розмір близько м. Складні багатоатомні молекули можуть мати розміри в сотні і тисячі разів більше.

Безладний хаотичний рух молекул називається тепловим рухом. Кінетична енергія теплового руху росте із зростанням температури. При низьких температурах середня кінетична енергія молекули може виявитися менше глибини потенційної ями E0. В цьому випадку молекули конденсуються в рідку або тверду речовину; при цьому середня відстань між молекулами буде приблизно рівна r0. При підвищенні температури середня кінетична енергія молекули стає більше E0, молекули розлітаються, і утворюється газоподібна речовина.

У твердих тілах молекули здійснюють безладні коливання біля фіксованих центрів (положень рівноваги). Ці центри можуть бути розташовані в просторі нерегулярним чином (аморфні тіла) або утворювати впорядковані об'ємні структури (кристалічні тіла)

У рідинах молекули мають значно велику свободу для теплового руху. Вони не прив'язані до певних центрів і можуть переміщатися за усім обсягом. Цим пояснюється плинність рідин. Близько розташовані молекули рідини також можуть утворювати впорядковані структури. Це явище називається ближнім порядком на відміну від далекого порядку, характерного для кристалічних тел.

У газах відстані між молекулами звичайні значно більше їх розмірів. Сили взаємодії між молекулами на таких великих відстанях малі, і кожна молекула рухається уздовж прямої лінії до чергового зіткнення з іншою молекулою або із стінкою посудини. Середня відстань між молекулами повітря за нормальних умов близько 10-8 м, тобто в десятки разів перевищує розмір молекул. Слабку взаємодію між молекулами пояснює здатність газів розширюватися і заповнювати увесь об'єм посудини. У межі, коли взаємодія прагне до нуля, ми приходимо до уявлення про ідеальний газ.

У молекулярно-кінетичній теорії кількість речовини прийнято вважати пропорційною числу часток. Одиниця кількості речовини називається молем (моль).

Моль - це кількість речовини, що містить стільки ж часток (молекул), скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю 12C. Молекула вуглецю складається з одного атома.

Таким чином, в одному молі будь-якої речовини знаходиться одне і те ж число часток (молекул). Це число називається постійною Авогадро NА :

NА = 6,02· моль- 1

Постійна Авогадро - одна з найважливіших постійних в молекулярно-кінетичній теорії.

Кількість речовини ν визначається як відношення числа N частинок (молекул) речовини до постійної Авогадро NА :

Масу одного моля речовини прийнято називати молярною масою M. Молярна маса дорівнює добутку маси m0 однієї молекули цієї речовини на постійну Авогадро :

M = NА · m0.

Молярна маса виражається в кілограмах на моль (кг/моль). Для речовин, молекули яких складаються з одного атома, часто використовується термін атомна маса.

За одиницю маси атомів і молекул приймається 1/12 мас атома ізотопу вуглецю 12C (з масовим числом 12). Вона називається атомною одиницею маси (а. е. м) :

1 а. е. м = 1,66·10-27 кг

Ця величина майже співпадає з масою протона або нейтрона. Відношення маси атома або молекули цієї речовини до 1/12 мас атома вуглецю 12C називається відносною масою.

Запитання для самоперевірки:

1. У чому полягає основне завдання молекулярної фізики?

2. Що таке МКТ? Сформулюйте основні положення МКТ.

3. Що таке молекула? Атом?

4. Які спостереження й експерименти підтверджують основні положення МКТ?

5. Атоми і молекули тіла хаотично рухаються. Як це узгоджується з тим, що багато тіл зберігають форму та об’єм?

6. Що таке броунівський рух? Про що свідчить броунівський рух?

7. Що називають дифузією? Наведіть приклади дифузії в газах, рідинах і твердих тілах.

8. Чи однаково швидко забарвлюється холодна і гаряча вода від краплини чорнила?

9. Як пояснити процес фарбування твердих тіл барвниками?

10. Чим з’єднання деталей паянням подібне до склеювання?

11. Чи є безладний рух порошин у повітрі броунівським рухом?

12. Яка природа міжмолекулярних сил? Які властивості мають сили молекулярної взаємодії?

13. Як сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними?

14. Як пояснюється на основі молекулярно-кінетичних уявлень поява сили пружності внаслідок стиснення і розтягування тіл?

15. Чим визначається в’язкість речовини?

16. Вода має малу в’язкість і добре змочує деталі машин. Чому ж її не використовують як мастильний матеріал?

17. Опишіть характер руху молекул у газах, рідинах і твердих тілах.

18. Який характер розміщення частинок у газах, рідинах і твердих тілах?

19. Назвіть основні властивості газів, рідин, твердих тіл.

20.Який порядок величини діаметра і маси молекул неорганічних речовин?

21.Чому молекулярна фізика використовує відносні величини для вимірювання маси? Що називають відносною молекулярною масою? Яка формула виражає це поняття?

22.Чому дорівнює відносна молекулярна маса води?

23.Що таке кількість речовини? Яка формула виражає зміст цього поняття? Яка одиниця кількості речовини? Дайте визначення цієї одиниці.

24.Що називають сталою Авогадро? Чому вона дорівнює?

25.Що таке молярна маса речовини? Яка формула виражає зміст цього поняття? Яка одиниця молярної маси?

26.Установіть зв’язок між молярною масою та відносною молекулярною масою речовини.

27.За якою формулою визначають кількість молекул у довільній масі речовини?

28.Визначте молярну масу будь-якої речовини. Чому дорівнює молярна маса вуглекислого газу?