Методика вивчення теми ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ
Лекція 4.
Методика вивчення теми “ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ”
1. Науково-методичний аналіз змісту і структури теми
Тема є частиною розділу шкільного курсу фізики “Молекулярна фізика”.
У програмі [34] зміст теми викладено наступним чином.
Основи молекулярно-кінетичної теорії та її дослідне обґрунтування. Дослід Штерна. Броунівський рух. Маса і розміри молекул. Взаємодія атомів і молекул речовин у різних агрегатних станах.
Ідеальний газ. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Температура та її вимірювання. Швидкість молекул ідеального газу.
Рівняння Менделеєва-Клайперона. Ізопроцеси в газах.
Насичена й ненасичена пара. Залежність температури кипіння рідини від тиску. Вологість повітря та її вимірювання. Точка роси.
Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг. Змочування. Капілярні явища. Явища змочування і капілярності в живій природі і техніці.
Кристалічні й аморфні тіла. Природне й штучне утворення кристалів. Поняття про рідкі кристали. Механічні властивості твердих тіл і матеріалів: пружність, міцність, пластичність. Види деформацій. Створення матеріалів із заданими фізичними властивостями.
У темі можна виділити дві великі групи питань.
1. Основи МКТ (основні відомості про молекули, їх рух та взаємодію, основне рівняння МКТ ідеального газу, температура, рівняння Менделеєва-Клапейрона).
2. Властивості пари, поверхні рідини, твердих тіл.
У такому порядку, як рекомендує програма, викладено матеріал у підручнику С.У. Гончаренка [6]. У підручнику Є.В. Коршака та ін. [17] після викладу першої групи питань іде тема «Основи термодинаміки», а потім викладається друга група питань. У підручнику С.У. Гончаренка прийнятий дедуктивний метод вивчення газових законів. Спочатку подається основне рівняння МКТ ідеального газу, далі рівняння стану газу, а потім – газові закони як окремі випадки рівняння стану газу.
У підручнику Є.В. Коршака та ін. прийнято індуктивний метод вивчення. Спочатку розглядаються закони Бойля-Маріотта та Гей-Люссака, далі після введення абсолютної шкали температур – рівняння стану ідеального газу; потім – закон Шарля як окремий випадок рівняння стану газу і, нарешті, основне рівняння МКТ ідеального газу.
Аналіз позитивних та негативних сторін індуктивного та дедуктивного методів вивчення газових законів проведено у кількох посібниках з методики фізики, зокрема у посібнику [30].
Структурно-логічна схема теми [6] може бути подана такою:
Молекулярна фізика як розділ шкільного курсу фізики вивчає механічні і теплові властивості тіл залежно від їх будови, сил взаємодії між частинками речовини і характеру їх теплового руху. У цьому розділі вивчаються агрегатні стани речовини та фазові переходи, а також явища на межі між речовинами, що перебувають у різних агрегатних станах. У термодинаміці вивчаються взаємні перетворення різних видів енергії, пов’язані з кількістю теплоти і роботою.
Особливості розділу “Молекулярна фізика” полягають у тому, що в ньому вивчається поведінка якісно нового матеріального об’єкта, а саме, системи, яка складається з величезної кількості частинок (атомів, молекул) і нова, притаманна лише цьому об’єкту, форма руху – теплова. Це обумовлює необхідність введення для опису молекулярних явищ нових фізичних понять, не властивих механіці, а саме: температура, внутрішня енергія, середня квадратична швидкість молекул, теплова рівновага та ін. У поведінці нового об’єкта з властивою йому новою формою руху проявляються нові закономірності – статистичні, на відміну від механіки, де розглядались динамічні закономірності. На основі статистичних уявлень можна зрозуміти суть необоротності теплових явищ.
Законами механіки неможливо описати хаотичність теплового молекулярного руху, тому в МКТ (молекулярно-кінетичній теорії) кількісні закономірності встановлюються на основі статистичного методу, який для опису теплового руху використовує імовірнісно-статистичні поняття. Ці поняття не вивчаються у загальноосвітній школі через їх складність, тому у школі розглядають лише середні значення величин, що описують певну сукупність молекул. Середні значення швидкостей руху частинок, їх енергій та інших характеристик визначають властивості макроскопічної системи як цілого.
Велика кількість властивостей макроскопічних систем описується термодинамічним методом. У цьому методі не враховується будова речовини, а її властивості вивчаються на основі аналізу умов та кількісних співвідношень при перетворення енергії у розглядуваних системах.
Обидва методи дослідження – термодинамічний і статистичний – описують властивості речовини з різних точок зору і доповнюють один одного.
Усе розглянуте вище визначає світоглядне значення вивчення молекулярної фізики. При її вивченні поглиблюється поняття матерії та форм її руху, розглядаються нові закономірності та методи вивчення явищ тощо.
Вивчення розділу має велике політехнічне значення.
Молекулярна фізика є науковою основою матеріалознавства, що дозволяє на основі знань про внутрішню будову речовини створювати матеріали із заздалегідь заданими властивостями.
Вивчення теплових явищ знайомить учнів з основами теплоенергетики, принципами роботи теплових двигунів, екологічними проблемами.
2. Основні поняття та їх науково-методичний аналіз
Для вивчення багатьох явищ у газах користуються спрощеною моделлю газу, а саме: нехтують формою молекул і вважають їх кульками дуже малих розмірів і не враховують взаємодію молекул на відстані. Цю спрощену модель називають ідеальним газом. Реальні гази при невеликих тисках і не дуже малих температурах ведуть себе як ідеальні.
Для вимірювання маси атомів чи молекул зручно користуватися позасистемною одиницею – атомною одиницею маси.
За атомну одиницю маси приймають 1/12 маси атома ізотопа Карбону 12С. 1 а.о.м. =1,66 10-27 кг.
Відносною молекулярною масою речовини Mr називають відношення маси молекули m0 даної речовини до 1/12 маси атома Карбона mс:
Кількістю речовини називається відношення кількості молекул N у даному тілі до кількості атомів NA в 0,012 кг вуглецю:
Одиницею кількості речовини є моль.
Моль – це така кількість речовини, яка містить стільки ж структурних елементів (частинок), скільки атомів міститься в 0,012 кг вуглецю. Кількість молекул в 1 молі речовини називають сталою Авогадро NA:
Масу одного моля речовини називають молярною масою.
Молярну масу можна розраховувати за формулами:
кг/моль Масу довільної кількості речовини визначають за співвідношенням:
Кількість молекул у тілі розраховують так:
Температура – параметр термодинамічної системи, який визначає її рівноважний стан.
3. Навчальний фізичний експеримент
Демонстрації
Модель броунівського руху [9, с. 101; 26, с.17]. Ізотермічний процес [9, с. 109; 26, с. 31]. Ізохоричний процес [9, с. 114; 26, с. 38]. Ізобаричний процес [9, с. 112; 26, с. 36]. Залежність між об’ємом, тиском і температурою газу [9, с. 115, 26, с.39].
Фронтальна лабораторна робота: “Вивчення одного з ізопроцесів”.
