Муниципальное общеобразовательное учреждение гимназия №1
Центрального района г. Волгограда
Урок физики по теме
Движение молекул. Опытное определение скоростей движения молекул
10 класс
Подготовила: учитель физики высшей категории
Петрухина
Марина Анатольевна.
УМК: Н. С. Пурышева,
Н. Е. Важеевская,
Д. А. Исаев
«Физика – 10», рабочая тетрадь к данному учебнику и мультимедийное приложение к учебнику.
Волгоград, 2015
Урок по теме
Движение молекул.
Опытное определение скоростей движения молекул
10 класс
Аннотация .
Понимание важнейших вопросов современной физики невозможно без некоторых, хотя бы самых элементарных представлений о статистических закономерностях. Рассмотрение газа как системы, состоящей из огромного числа частиц, позволяет в доступной форме дать представление о вероятности, статистическом характере закономерностей таких систем, о статистических распределениях, указывающих, с какой вероятностью частицы системы имеют то или иное значение параметров, определяющих их состояние, и на основе этого излагать основные положения классической теории газов. К одному из уроков, которые позволяют сформировать данное представление, относится представленный урок по УМК издательства «Дрофа»: учебник физики Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская, Д. А. Исаев, рабочая тетрадь к данному учебнику и мультимедийное приложение к учебнику.
Пояснительная записка.
Данный урок можно провести в процессе изучения темы «Основы МКТ строения вещества» в 10 классе.
Новый материал урока позволяет углубить знания учащихся об основах кинетической теории газов и использовать его при решении задач на определение скоростей молекул различных газов.
Каждый этап урока сопровождается показом тематического слайда мультимедийного приложения и видеофрагментом.
Цель урока:
Деятельностная: формирование у учащихся новых способов деятельности (умение задавать и отвечать на действенные вопросы; обсуждение проблемных ситуаций; умение оценивать свою деятельность и свои знания).
Задачи урока:
Обучающая: формирование умения анализировать, сравнивать, переносить знания в новые ситуации, планировать свою деятельность при построении ответа, выполнении заданий и поисковой деятельности через физические понятия (наиболее вероятная скорость, средняя скорость, средняя квадратичная скорость), активизировать мыслительную деятельность учащихся.
Воспитывающая: воспитание дисциплинированности при выполнении групповых заданий, создание условия для положительной мотивации при изучении физики, используя разнообразные приемы деятельности, сообщая интересные сведения; воспитывать чувство уважения к собеседнику, индивидуальной культуры общения.
Развивающая: развивать умения строить самостоятельные высказывания в устной речи на основе усвоенного учебного материала, развитие логического мышления, развитие умения единого математического подхода для количественного описания физических явлений на основе молекулярных представлений при решении задач.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Методы обучения: эвристический, объяснительно – иллюстративный, проблемный, демонстрации и практические задания, решение задачи физического содержания.
Ожидаемые результаты:
уметь делать вывод на основе эксперимента;
вырабатывать правила дискуссии и соблюдать их;
понимать смысл обсуждаемых вопросов и проявлять интерес к данной теме.
Подготовительный этап: знание основных уравнений, зависимостей по данной теме (теоретический блок по теме находится у каждого ученика в виде лекции - конспекта)
Оборудование: прибор для демонстрации опыта Штерна;
компьютер и проектор для демонстрации презентации и видеофрагмента «Опыт Штерна».
Этапы урока.
Организационный этап (приветствие, проверка готовности к уроку, эмоционального настроя), (1 минута)
Этап постановки цели, задач урока и проблемы о способе измерения скорости молекул, (4 минуты)
Этап изучения нового учебного материала, показ слайдов презентации с комментариями учащихся, которая позволяет создать зрительное впечатление о теме, активизировать зрительную память (проверить уровень усвоения системы понятий по данной теме), (20минут)
Этап закрепления приобретенных знаний при решении задач (применение знаний на практике их вторичное осмысление), (8минут)
Этап обобщения и подведения итогов урока (дать анализ успешности овладения знаниями и способами деятельности), (4минуты)
Информация о домашнем задании (направлено на дальнейшее развитие знаний), (1минута)
Рефлексия, (2 минуты)
Сценарий урока.
Деятельность учителя физики
Деятельность ученика
Организационный этап.
Здравствуйте, ребята! Я рада приветствовать вас на уроке, на котором мы продолжим открывать страницы в познании классической теории газов. Впереди нас ждут интересные открытия. Поприветствуйте друг друга.
Тогда приступим…
Целеполагание и мотивация.
На прошлом уроке мы познакомились с основными положениями молекулярно – кинетической теории идеального газа. Участвуя в непрерывном хаотическом движении, молекулы постоянно сталкиваются друг с другом, при этом число сталкивающихся частиц их скорости в каждый момент времени различны.
Как вы думаете, какая тема урока «ожидает» нас сегодня?
Да, действительно, цель, которую мы ставим сегодня перед собой: познакомимся с одним из методов определения скорости движения молекул – методом молекулярных пучков, предложенным немецким физиком Отто Штерном в 1920 году.
Открыли тетради, записали число и тему сегодняшнего урока: Движение молекул. Опытное определение скоростей движения молекул.
Вспомним, чему равна скорость теплового движения молекул?
Рассчитаем скорость молекул серебра Аg при испарении с поверхности, T =1500К.
Напомню, скорость звука 330м/с, а скорость молекул серебра 588м/с, сравните.
Рассчитаем скорость молекул водорода Н 2 при температуре, близкой к абсолютному нулю T=28К.
Для примера: скорость пассажирского самолета – 900м/с, скорость движения Луны вокруг Земли – 1000м/с.
А теперь поставите себя на место ученых 19 века, когда были получены эти данные, возникли сомнения в правильности самой кинетической теории. Ведь известно, что запахи распространяются довольно медленно: нужно время порядка десятков секунд, чтобы запах духов, пролитых в одном углу комнаты, распространяются до другого угла.
Поэтому возникает вопрос: какова на самом деле скорость молекул?
Когда запах духов распространяется, мешает ли что-то молекулам духов?
Как это влияет на скорость направленного движения молекул?
Рассчитаем скорость молекул водорода Н 2 при температуре, близкой к комнатной T=293К.
Тогда, это скорость какая? Чего?
А как же её измерить, определить её значение на практике? Давайте решим следующую задачу:
Пусть имеется 1 молекула. Нужно определить скорость свободного пробега молекул. Как движутся молекулы между столкновениями?
Пусть молекула проходит 1 метр, время найдем при скорости водорода 1911м/с, получилось 0,00052с.
Как видно время очень маленькое.
Возникает опять проблема!
Этап изучения нового учебного материала.
Решить эту проблему в школьных условиях невозможно, за нас это сделал в 1920 г Отто Штерн (1888-1970), заменив поступательное движение на вращательное.
Посмотрим небольшой видеофрагмент и после обсудим некоторые вопросы.
Что представляла установка, которой пользовался О. Штерн?
Как был осуществлен опыт?
Значения скоростей получались близкими к скорости, вычисленной по формуле:
, 
,
где 
– линейная скорость точек поверхности цилиндра В.
, то
,
что находится в согласии с молекулярно – кинетической теорией. Скорость молекул совпадает с рассчитанной, полученной на основе МКТ, это являлось одним из подтверждением её справедливости.
Из опыта О. Штерна было найдено, что при температуре 120 0 С скорости большинства атомов серебра лежат в пределах от 500м/с до 625м/с. При изменении условий опыта, например температуры вещества, из которого сделана проволока, получаются иные значения скоростей, но характер распределения атомов в напыленном слое не меняется.
Почему в опыте Штерна полоска серебра смещена и размыта по краям, кроме того, неоднородна по толщине?
Какой вывод можно сделать о распределении атомов и молекул по скоростям?
Рассмотрим таблицу №12 учебника на стр. 98 для молекул азота. Что видно из таблицы?
Английский физик Д. К. Максвелл тоже считал невероятным, что все молекулы движутся с одной скоростью. По его мнению, при каждой заданной температуре большинство молекул обладает скоростями, лежащими в довольно узких пределах, но некоторые молекулы могут двигаться с большей или меньшей скоростью. Более того, считал ученый, в каждом объеме газа при той или иной температуре есть молекулы, обладающие как очень малыми, так и очень большими скоростями. Сталкиваясь между собой, одни молекулы увеличивают скорость, а другие уменьшают. Но если газ находится в стационарном состоянии, то число молекул, обладающих той или иной скоростью, остается постоянным. Исходя из такого представления, Д. Максвелл исследовал вопрос о распределении молекул по скоростям в газе, находящемся в стационарном состоянии.
Эту зависимость он установил задолго до опытов О. Штерна. Результаты работы Д. К. Максвелла получили всеобщее признание, но при этом не были подтверждены экспериментально. Это сделал О. Штерн.
Подумайте? Какова заслуга О. Штерна?
Рассмотрим рис. 64 на стр. 99 учебника и исследуем характер самого распределения молекул по скоростям.
Вид функции распределения молекул по скорости движения, которую Д. Максвелл определил теоретическим путем, качественно совпал с профилем налета атомов серебра на латунной пластинке в опыте О.Штерна.
Изучение профиля полоски серебра позволило ученому сделать вывод о существовании наиболее вероятной средней скорости движения частиц (т.е. скорости с которой движется наибольшее число молекул).
Куда смещается максимум кривой распределения при повышении температуры?
Кроме наиболее вероятной и средней скоростях, движение молекул характеризуется средним квадратом скорости:
, а
квадратный корень из этой величины – есть средняя квадратичная скорость.
Давайте еще раз посмотрим, как происходило познание при изучении вопроса о скоростях движения молекул?
Этап закрепления приобретенных знаний при решении задач.
Произведем математические расчеты и проверим теорию в конкретной ситуации.
Задача №1
Какой скоростью обладала молекула паров серебра, если её угловое смещение в опыте Штерна составляло 5,4º при частоте вращения прибора 150 сˉ¹? Расстояние между внутренним и внешним цилиндрами равно 2 см.
Этап обобщения и подведение итогов урока
Сегодня на уроке мы познакомились с одним из методов определения скорости движения молекул – методом молекулярных пучков, предложенным немецким физиком Отто Штерном.
Каково значение опыта О. Штерна в развитии представлений о строении вещества?
Информация о домашнем задании.
Рефлексия.
В ходе нашего урока вы показали себя наблюдательными теоретиками, способными не только подмечать вокруг себя все новое и интересное, но и самостоятельно проводить научное исследование.
Наш урок подошёл к концу.
Давайте ответим на вопрос: «Что вам понравилось на уроке?» и «Чем вам запомнился урок?»
А я в заключение, хочу процитировать слова Вирея:
«Все открытия в науках и в философии проистекают часто от обобщений или от приложений факта к другим подобным фактам»
Спасибо, ребята, за совместную работу. Я была рада встретиться с вами. До встречи!
Тема урока: Определение скорости движения молекул.
(обучающиеся записывают в тетради число и тему урока)
(ответы нескольких учеников)
, с другой стороны
, зная что 
, отсюда
, или 
, где
– универсальная газовая постоянная, 
8,31 
Скорость молекул серебра сверхзвуковая .
590м/с, такая же!!! Не может быть!
Какую скорость находить и измерять?
Мешают молекулы воздуха.
Она уменьшается.
Мы получили большую скорость, и ничего не мешает двигаться молекулам?
Скорость свободного пробега молекул.
Равномерно.
Как же его измерить?
(просмотр видео)
Установка состояла из: платиновой нить, покрытой тонким слоем серебра, которая располагалась вдоль оси внутри цилиндра радиусом 
и внешнего цилиндра 
. Из цилиндра насосом откачен воздух.
При пропускании электрического тока через проволоку она разогревалась до температуры, выше температуры плавления серебра 961,9 0 С. Стенки внешнего цилиндра охлаждались, чтобы молекулы серебра лучше оседали на пути экрана. Установку приводили во вращение с угловой скоростью 2500 – 2700 об/мин.
Полоска серебра при вращении прибора приобрела другой вид потому что, если бы все атомы, вылетающие из нити, имели одинаковую скорость, то изображение щели на экране не изменилось бы по форме и размеру, а лишь немного бы сместилось в сторону. Размытость же полоски из серебра говорит о том, что вылетающие из раскаленной нити атомы движутся с разными скоростями. Атомы, движущиеся быстро, смещаются меньше, чем атомы, движущиеся с меньшей скоростью.
Распределение атомов и молекул по скоростям представляет собой определенную закономерность, характеризующую их движение.
Из таблицы видно, что наибольшее число молекул азота имеют скорости от 300м/с до 500м/с.
91% молекул имеют скорости, включенных в интервал от 100м/с до 700м/с.
9% молекул имеют скорости, меньших 100м/с и больших 700м/с.
О. Штерн, воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. К. Максвеллом распределение молекул газа по скоростям. Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла.
По графику можно было определить смещение для середины изображения щели и, соответственно, вычислить среднюю скорость
движения атомов.
При Т 2
Т 1 максимум кривой распределения смещается в область больших значений скоростей.
Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская, Д. А. Исаев, учебник «Физика – 10», рабочая тетрадь к данному учебнику.
Физика: 3800 задач для школьников и поступающих ВУЗы. – М.: Дрофа, 2000г.
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 кл. – М.: Дрофа, 2010.
Л. А. Кирик “Самостоятельные и контрольные работы по физике”. 10 класс. М.:Илекса, Харьков: Гимназия, 1999.
Энциклопедия для детей. Техника. М.: Аванта+, 1999.
Энциклопедия для детей. Физика. Ч. I. М.: Аванта+, 1999.
Энциклопедия для детей. Физика. Ч. П. М.: Аванта+, 1999.
Физический эксперимент в школе./ Сост. Г. П. Мансветова, В. Ф. Гудкова. - М.: Просвещение, 1981.
Глазунов А. Т. Техника в курсе физики средней школы. М.: Просвещение, 1977.
Вначале была высказана гипотеза о том, что молекулы движутся с разными скоростями.
Эти скорости связаны с температурой и существует определенный закон распределения молекул по скоростям, что следовало из наблюдений, в частности, броуновского движения.
Опыт относится к числу фундаментальных физических экспериментов. В настоящее время атомно – молекулярное учение подтверждено многочисленными опытами и является общепризнанным.
Рефлексия учебных действий.
Сегодня я узнал…
Было интересно…
Было трудно…
Я понял, что…Я научился…
Меня удивило…
Используемая литература:
Электронные приложения:
Л. Я. Боревский «Курс физики XXI века», базовый + для школьников и абитуриентов. МедиаХауз. 2004 год.
Интерактивный курс физики для 7 – 11 классов. ООО «Физикон», 2004 год. Русская версия «Живая физика», Институт новых технологий
Физика, Х-ХI классы. Мультимедийный курс-М.: ООО «Руссобит Паблишинг».-2004 (http://www. russobit-m. ru/)
Открытая физика. В 2 ч. (CD) / Под ред. С.М. Козела. – М.: ООО «Физикон». - 2002 (http://www.physicon.ru/.)
Изучение диффузии и броуновского движения позволяет получить некоторое представление о скорости хаотического движения молекул газа. Одним из наиболее простых и наглядных опытов для ее определения является опыт О. Штерна, выполненный им в 1920 г. Сущность этого опыта заключается в следующем.
На горизонтальном столике, который может вращаться вокруг оси О (рис. 3.2), перпендикулярно столику укрепляются цилиндрические поверхности А и В. Поверхность В сплошная, а в поверхности А имеется узкий прорез, параллельный оси О. Вдоль оси О расположена вертикально платиновая посеребренная проволока, которая включается в электрическую цепь. При пропускании тока проволока накаливается и с ее поверхности происходит испарение серебра. Молекулы серебра летят во все стороны и в основном оседают на внутренней стороне цилиндрической поверхности А. Лишь узкий пучок молекул серебра пролетает сквозь щель в этой
поверхности и оседает в области М на поверхности В. Ширина налета в М определяется шириной щели в поверхности А. Чтобы молекулы серебра не рассеивались при столкновениях с молекулами воздуха, вся установка накрывается колпаком, из-под которого выкачивается воздух. Чем уже щель в поверхности А, тем уже налет в области М и тем точнее может быть определена скорость движения молекул.
Само определение скорости основано на следующей идее. Если всю установку привести во вращение вокруг оси О с постоянной угловой скоростью то за время в течение которого молекула будет лететь от щели до поверхности В, последняя успеет повернуться и налет сместится из области М в область К. Следовательно, время полета молекулы вдоль радиуса и время смещения точки М поверхности В на расстояние одинаково. Так как молекула летит равномерно, то
где - искомая скорость, - радиус цилиндрической поверхности А. Поскольку линейная скорость точек поверхности В равна юг, то время можно выразить другой формулой:
Таким образом,
Так как при выполнении опыта остаются постоянными и определяются заранее, то, измерив можно найти скорость молекулы . В опыте Штерна она оказалась близкой к 500 м/с.
Поскольку налет в области К оказывается размытым, можно заключить, что молекулы серебра летят к поверхности В с различной скоростью. Средние значения скоростей молекул математически можно выразить формулой
В качестве примера отметим, что при 0 °С средняя скорость движения молекул водорода равна 1840 м/с, а азота - 493 м/с. Изменение толщины налета в области К дает представление о распределении молекул по скоростям их движения. Получается, что небольшое число молекул имеет скорости, в несколько раз превышающие среднюю скорость.
(Подумайте, где на рис. 3.2 оставили след молекулы, скорости которых больше средней скорости и как изменится положение налета, если усилить ток в проволоке О.)
БРОУН Роберт (), английский ботаник Описал ядро растительной клетки и строение семяпочки. В 1828 опубликовал "Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп...", в котором описал открытое им движение броуновских частиц. Описал ядро растительной клетки и строение семяпочки. В 1828 опубликовал "Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп...", в котором описал открытое им движение броуновских частиц.
Броуновское движение - это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц год – наблюдал явление, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Броуновское движение никогда не прекращается, частицы движутся беспорядочно. Это тепловое движение.
ПЕРРЕН Жан Батист (), французский физик. Экспериментальные исследования Перреном броуновского движения () окончательно доказали реальность существования молекул. Нобелевская премия (1926).
Опыты Перрена Наблюдал броуновские частицы в очень тонких слоях жидкости Сделал вывод, что концентрация частиц в поле силы тяжести должна убывать с высотой по такому же закону, что и концентрация молекул газа. Преимущество - масса броуновских частиц за счёт большой массы происходит быстрее. На основе подсчёта этих частиц на разных высотах определив постоянную Авогадро новым способом.
МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк ((), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им открыт первый статистический закон закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение).
БОЛЬЦМАН Людвиг (), австрийский физик, один из основателей статистической физики и физической кинетики. Вывел функцию распределения, названную его именем, и основное кинетическое уравнение газов. Больцман обобщил закон распределения скоростей молекул в газах, находящихся во внешнем силовом поле, и установил формулу распределения молекул газа по координатам при наличии произвольного потенциального поля ().
ШТЕРН Отто (), физик. Родился в Германии, с 1933 жил в США. Отто Штерн измерил (1920) скорость теплового движения молекул газа (опыт Штерна). Экспериментальное определение скоростей теплового движения молекул газа, осуществленное О. Штерно м подтвердил правильность основ кинетической теории газов. Нобелевская премия, 1943 год.
Опыт Штерна Цилиндры начинали вращать с постоянной угловой скоростью. Теперь атомы, прошедшие сквозь прорезь, оседали уже не прямо напротив щели, а смещались на некоторое расстояние, так как за время их полёта внешний цилиндр успевал повернуться на некоторый угол. При вращении цилиндров с постоянной скоростью, положение полоски, образованной атомами на внешнем цилиндре, смещалось на некоторое расстояние.
Опыт Штерна Зная величины радиусов цилиндров, скорость их вращения и величину смещения легко найти скорость движения атомов. Время полета атома t от прорези до стенки внешнего цилиндра можно найти, разделив путь, пройденный атомом и равный разности радиусов цилиндров, на скорость атома v. За это время цилиндры повернулись на угол φ, величину которого найдем, умножив угловую скорость ω на время t. Зная величину угла поворота и радиус внешнего цилиндра R 2, легко найти величину смещения L и получить выражение, из которого можно выразить скорость движения атома
Подумайте … Многократные повторения опыта Штерна позволили установить, что с увеличением температуры участок полосы с максимальной толщиной смещается к началу. Что это значит? Ответ: при увеличении температуры скорости молекул возрастают, и тогда наиболее вероятная скорость находится в области высоких температур.
В середине XIX века была сформулирована молекулярно-кинетическая теория, но тогда не было никаких доказательств существования самих молекул. Вся теория базировалась на предположении о движении молекул, но как измерить скорость их движения, если они невидимы?
Теоретики первыми нашли выход. Из уравнения молекулярно-кинетической теории газов известно, что
Получена формула для расчета среднеквадратичной скорости, но масса молекулы неизвестна. Запишем по-другому значение υ кв:
 |
(2.1.2) |
А мы знаем, что , тогда
| (2.1.3) |
Где Р – давление; ρ - плотность. Это уже измеряемые величины.
Например, при плотности азота, равной 1,25 кг/м, 3 , при t = 0 °С и P = 1 атм, скорости молекул азота . Для водорода: .
При этом интересно отметить, что скорость звука в газе близка к скорости молекул в этом газе , где γ – коэффициент Пуассона. Это объясняется тем, что звуковые волны переносятся молекулами газа.
Проверка того факта, что атомы и молекулы идеальных газов в термически равновесном пучке имеют различные скорости, была осуществлена немецким физиком Отто Штерном (1888-1969) в 1920 г. Схема его установки приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1
Платиновая нить А , покрытая снаружи серебром, располагается вдоль оси коаксиальных цилиндров S 1 , S 3 ,. Внутри цилиндров поддерживается низкое давление порядка Па. При пропускании тока через платиновую нить она разогревается до температуры выше точки плавления серебра (961,9 °С). Серебро испаряется, и его атомы через узкие щели в цилиндре S 1 , и диафрагме S 2 , летят к охлаждаемой поверхности цилиндра S 1 , на которой они осаждаются. Если цилиндры S 1 , S 3 и диафрагма не вращаются, то пучок осаждается в виде узкой полоски D на поверхности цилиндра S 3 . Если же вся система приводится во вращение с угловой скоростью то изображение щели смещается в точку D´ и становится расплывчатым.
Пусть l – расстояние между D и D´ , измеренное вдоль поверхности цилиндра S 3 , оно равно где – линейная скорость точек поверхности цилиндра S 3 , радиусом R ; - время прохождения атомами серебра расстояния . Таким образом, имеем откуда – можно определить величину скорости теплового движения атомов серебра. Температура нити в опытах Штерна равнялась 1200 °С, что соответствует среднеквадратичной скорости . В эксперименте для этой величины получилось значение от 560 до 640 м/с. Кроме того, изображение щели D´ всегда оказывалось размытым, что указывало на то, что атомы Ag движутся с различными скоростями.
Таким образом, в этом опыте были не только измерены скорости газовых молекул, но и показано, что они имеют большой разброс по скоростям. Причина – в хаотичности теплового движения молекул. Ещё в XIX веке Дж. Максвелл утверждал, что молекулы, беспорядочно сталкиваясь друг с другом, как-то «распределяются» по скоростям, причём вполне определённым образом.