Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика»




Скачать 224.54 Kb.
НазваниеУчебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика»
страница1/3
Дата публикации13.07.2013
Размер224.54 Kb.
ТипУчебно-методическое пособие
zadocs.ru > Физика > Учебно-методическое пособие
  1   2   3


Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

физический факультет

кафедра общей физики

Учебно-методическое пособие
для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика»

Часть I: модули 1-3.

Автор: Махно В.И., профессор кафедры общей физики ЮФУ

Ростов-на-Дону

2008

Введение. Предлагаемое учебно-методическое пособие предназначено как для индивидуальной самостоятельной работы студентов физического факультета ЮФУ под контролем преподавателя, ведущего практические занятия на первом курсе во втором семестре, так и для других видов учебной работы (семинарские занятия, проведение коллоквиумов, контрольных работ по проверке усвоения теории и приобретения практических навыков по молекулярной физике). Первая часть пособия посвящена разработке учебно-методических материалов для проведения вышеуказанных видов работ в объёме модулей 1-3 программы, включающих следующие темы курса: Сведения о строении вещества, основные положения молекулярно-кинетической теории, их опытное обоснование. Базовые понятия молекулярной физики: атомная единица массы, относительная молекулярная масса, молярная масса, число Авогадро, масса и размеры молекул, атомов, количество вещества, коэффициенты линейного и объёмного расширения. Идеальный газ. Основное уравнение МКТ, средняя квадратичная скорость. Понятие температуры. Средняя энергия теплового движения молекул. Число степеней свободы. Закон равнораспределения энергии молекул по степеням свободы. Постоянная Больцмана. Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная. Модель изотермической атмосферы. Барометрическая формула. В модулях 1-3 на основе изложения базовых понятий молекулярной физики происходит переход к усвоению более сложных разделов курса. Учебно-методические материалы включают в себя краткие сведения из лекционного курса, пояснения к трудно усваиваемым частям, наборы как теоретических так и практических вопросов, а также тестовые задания.
I. Сведения об атомно-молекулярном строении вещества

Молекулы – наименьшие устойчивые частицы вещества, сохраняющие его химические свойства.

Атомы – химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы.

С именем М.В. Ломоносова связан закон сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. Этот закон означает, что в химических превращениях атомы сохраняются – не исчезают и не возникают из ничего.

Закон кратных отношений Дальтона (начало XIX века): если два элемента образуют несколько соединений, то весовые количества одного из этих элементов, соединённые с одним и тем же количеством другого элемента, в различных соединениях относятся друг к другу как целые и притом обычно небольшие числа: N2O, NO, N2O3 и так далее.

Основные положения МКТ:

  1. вещество имеет дискретную структуру, состоит из частиц, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (молекулы, атомы, ионы и др.);

  2. частицы находятся в непрерывном хаотическом движении;

  3. частицы взаимодействуют между собой (силы отталкивания и притяжения).

Основные экспериментальные доказательства справедливости положений МКТ: броуновское движение, диффузия в жидкостях, газах и твёрдых телах, испарение жидких и твёрдых тел.

В 1827 году английский ботаник Р.Броун впервые наблюдал в микроскоп беспорядочное движение частиц из цветочной пыльцы в воде. Размеры частиц были порядка 10 мкм, двигались они по случайным траекториям. Броуновское движение можно наблюдать на очень мелких частицах, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой или газообразной среде. В роли «броуновских частиц» могут быть твёрдые частицы вещества, например, мелкие капли жидкости, взвешенные в другой несмешивающейся жидкости.

Броуновское движение наблюдается на частицах, имеющих очень малый объём, что можно пояснить следующим образом. Молекулы среды, в которой находится «броуновская частица», находясь в непрерывном хаотическом движении, ударяются о поверхность частицы со всех сторон, и при микроскопических размерах частиц проявляется нескомпенсированность числа ударов в каком-либо направлении. Так как приближённо число нескомпенсированных ударов (сила ударов) пропорционально поверхности частицы (r2), а масса частицы пропорциональна её объёму (r3), то можно считать, что ускорение, приобретаемое взвешенной частицей . Поэтому движение «броуновской частицы» за счёт нескомпенсированных ударов молекул окружающей среды проявляется только для очень малых по размеру частиц.

С повышением температуры интенсивность движения «броуновских частиц» увеличивается и наоборот. Это связано с зависимостью скорости движения молекул окружающей среды от температуры.

^ Броуновское движение – также один из примеров проявления флуктуаций, в данном случае – флуктуаций импульса молекул окружающей среды.

Флуктуации концентрации частиц проявляются в дробовом шуме (электричество), в явлениях молекулярного рассеяния света (оптика). Голубой цвет неба объясняется рассеянием солнечного света в верхних слоях атмосферы при наличии в ней флуктуаций плотности воздуха.

1)^ Атомная единица массы (а.е.м.) массы изотопа углерода ;

1а.е.м.=кг. (1)

2) Относительная молекулярная масса вещества Mr – это отношение массы m0 молекулы данного вещества к массы изотопа углерода :

. (2)

В таблице Менделеева указаны относительные молекулярные массы химических элементов. Из (1) и (2) следует, что Mr показывает во сколько раз масса молекулы (атома) больше одной атомной единицы массы.

Моль – единица количества веществ. Один моль равен количеству вещества, в котором содержится число частиц, равное числу атомов в 12 г изотопа углерода .

^ Число Авогадро – число структурных частиц вещества, содержащихся в одном моле:

моль-1. (3)

Молярная масса M – масса одного моля вещества.

; .

(4)

или . (5)

Концентрация вещества – число атомов (молекул) в единице объёма, измеряется в ,.

При нагревании твёрдых тел среднее расстояние между молекулами увеличивается, при этом для характеристики небольших изменений линейных размеров тел вводится коэффициент линейного расширения , равный величине относительного удлинения при изменении температуры на 1оС:

,

, где – длина до нагрева на и после, соответственно. Если считать длиной при 0оС, то

.

Вводится также коэффициент объёмного расширения твердых тел :

.

Коэффициенты и очень малы, для изотропных тел они связаны соотношением

.

Несмотря на очень малые величины коэффициентов и , тепловое расширение может привести к возникновению значительных механических напряжений, что учитывается в технике (при укладке железнодорожных рельс, фермы моста укладываются на специальные катки, перемещающиеся при тепловом расширении и др.)

II. Рассмотрим примеры применения базовых понятий молекулярной физики

  1. Определить относительную молекулярную массу серной кислоты .

По таблице Менделеева определяем величины относительных молекулярных масс элементов, входящих в состав данного вещества, и суммируем их:

.

  1. Определить молярную массу спирта .

Вначале с помощью таблицы Менделеева определяем относительную молекулярную массу вещества:

.

Затем, используя соотношения (4), (5), получим:

,

или .


  1. Определить массу двух молей протонов.

В одном моле содержится число Авогадро протонов. Зная массу одного протона (кг), находим массу двух молей этих элементарных частиц:

кгкг.

  1. Определить, какое количество вещества составляют: а) 2г водорода, б) 10г кальция, в) 1кг соляной кислоты.

а) определив молярную массу водорода – 2г/моль, находим число молей, соответствующих заданной массе водорода:

.

б) определив молярную массу кальция – 40 г/моль, находим число молей, составляющих заданную массу кальция:

.

в) определив молярную массу серной кислоты – 36г/моль=36∙10-3 кг/моль, находим число молей, составляющих заданную массу соляной кислоты:



  1. Определить число атомов в 5 см3 золота.

Определив по таблице плотность золота 19,3г/см3, находим массу золота г.

Зная молярную массу золота , находим количество вещества, составляющее 5см3 золота:

.

После этого определяем число атомов золота в заданном объёме:

атомов.

  1. Вычислить массу: а) молекулы углекислого газа (СО2); б) атома урана-235.
    а) масса молекулы СО2 равна:

=.

б) масса атома урана-235:

=.

  1. Найти концентрацию молекул вещества по заданным значениям плотности ρ и молярной массы вещества М.

Концентрация . В 1 моле вещества содержится молекул, объём одного моля равен , следовательно, .

  1. Оценить диаметр молекулы воды.

Будем считать, что молекулы расположены вплотную друг к другу. В одном моле воды содержится молекул, объём одного моля равен . Объём одной молекулы равен .



Диаметр молекулы воды .

ангстрем=, линейный размер большинства молекул порядка нескольких ангстрем.

  1. Оценить расстояние между центрами ионов Na и Cl в кристалле поваренной соли NaCl.

В одном моле поваренной соли содержится NA молекул. Объём одного моля равен , где ρ–плотность соли. Объём, приходящийся на один ион, равен . Сделайте рисунок , на котором условно обозначьте ионы Na и Cl; расстояние между центрами ионов Na и Cl (L) равно линейному размеру ячейки, приходящемуся на один ион ;

.
10. Представим, что все молекулы, содержащиеся в одном моле воды, расположили вплотную друг к другу вдоль прямой линии. Оценить длину образовавшейся цепочки молекул.

В одном моле воды содержится NA молекул, масса одного моля m=M=18г плотность воды ρ=1г/см3. Объем одного моля =18 см3. Объем одной молекулы



Линейный размер одной молекулы

Длина цепочки молекул

Среднее расстояние от Земли до Луны Цепочка молекул, содержащаяся в 18г воды, могла бы быть протянута от Земли до Луны n раз, где

Этот пример показывает, насколько размеры молекул малы, а их число велико даже в малых количествах вещества.

11. Как объяснить расширение твердых тел при нагревании?

Колебания атомов происходят около положения равновесия, при комнатных температурах амплитуда колебаний порядка 0,15. При нагревании энергия атома увеличивается, амплитуда тепловых колебаний также увеличивается. Однако, увеличение амплитуды колебаний не означает автоматического расширения тела. Если использовать модель гармонических колебаний атомов, то ясно, что при увеличении амплитуды колебаний положение равновесия не изменяется, следовательно, граница тела не должна перемещаться. Для объяснения теплового расширения твердого тела полезно использовать зависимость энергии взаимодействия молекул U от расстояния r между ними, изображенную на рис.1


Рис.1

Зависимость U(r) получена в предположении, что одна молекула находится в начале координат, а другая – на разных расстояниях r от нее.
Пусть - энергия молекулы при комнатной температуре, при этом и - наименьшая и наибольшая координаты молекулы, соответственно; - положение равновесия молекулы.
При увеличении температуры энергия молекулы увеличивается, к примеру, до , наименьшая и наибольшая координаты молекулы изменяются (соответствующие координаты обозначены знаком х) и положение равновесия смещается в область больших координат, межмолекулярные (межатомные) расстояния т.к. приведенное объяснение механизма расширения твердого тела основано на модели ангармонических колебаний молекул (атомов).

12. Каково происхождение сил взаимодействия между молекулами? Молекулы состоят из атомов, атом состоит положительно заряженного ядра и электронной оболочки.

Поэтому силы взаимодействия молекул имеют электромагнитную природу. Одноатомную молекулу можно представить как электрический диполь, напряженность электрического поля которого обратно пропорциональна третьей степени расстояния от диполя, многоатомные молекулы в первом приближении представляют собой квадруполи.

Между двумя молекулами приблизившимися друг к другу, действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Для двух неполярных молекул (центры положительных и отрицательных зарядов совпадают) потенциальную энергию их взаимодействия можно представить в виде: (1)

Выражение (1) называют потенциалом Леннарда-Джонса. Первое слагаемое определяет силы отталкивания, второе – силы притяжения. (Из курса механики известно, что сила и потенциальная энергия связаны соотношением ). Силы отталкивания более резко изменяются с расстоянием, чем силы притяжения. Константы а и b зависят от строения молекул. Силы взаимодействия молекул часто называют Ван-дер-ваальсовыми силами. Приближенный график зависимости U(r) изображен на рис.1.
  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconУчебно-методическое пособие по философии для организации самостоятельной...
Яковлев В. Н., Синицын С. Н., Щербакова Т. Е. Диалектика как учение о развитии и познании. Учебно-методическое пособие по философии...

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconУчебно-методическое пособие Практическая грамматика английского языка....
Пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом и включает задания и упражнения для самостоятельной...

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconМолекулярная физика и термодинамика методические указания к выполнению...
Молекулярная физика и термодинамика. Предназначены для обеспечения самостоятельной работы студентов

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconМетодическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов...
Методическое пособие для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по курсу гистологии, цитологии и эмбриологии....

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconУчебно-методическое пособие к курсу лекций «Искусство и литература»
Киреева Н. В. Учебно-методическое пособие к курсу лекций «Искусство и литература» для студентов, обучающихся на дневном и заочном...

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconКонтрольные задания
Методическое пособие предназначено для студентов медицинского факультета пгу им. Т. Г. Шевченко с целью повышения эффективности самостоятельной...

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconУчебно-методическое пособие «Введение в молекулярную физику. Для...
«Введение в молекулярную физику. Для студентов классического потока физического факультета. Модули 5»

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconУчебно-методическое пособие для студентов историко-филологического факультета Тара 2011
Курашева С. В. Теоретическая педагогика: учебно-методическое пособие для студентов историко-филологического факультета. – г. Тара:...

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconМетодическое пособие по написанию курсовой работы для студентов экономического...
Методическое пособие одобрено методической комиссией экономического факультета вгсха (протокол от )

Учебно-методическое пособие для организации самостоятельной работы студентов физического факультета по курсу «Молекулярная физика» iconУчебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов...
З. Р. Аликова – профессор кафедры общественного здоровья и здравоохранения докт мед наук

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов