Броуновское движение . Видеоурок «Движение и взаимодействие частиц вещества и атомов
§ 1 Броуновское движение
Вспомним, что вещество, которое является основой любого тела, состоит из мельчайших частиц - молекул. Но, как же ведут себя молекулы внутри вещества? Находятся в состоянии покоя или движутся?
Чтобы это выяснить, рассмотрим пример.
Пищу, для улучшения вкусовых качеств, солят. Соль - это твердые кристаллы. Попадая в жидкость, они растворяются и постепенно распространяются по всему объему пищи. Если бы частицы соли не могли перемещаться, то пища была бы соленой только в ограниченной области, а не везде. Аналогично происходит и с сахаром, который кладут в чай. Если мы попробуем опустить в горячую воду чайный пакетик и оставить его там на некоторое время, то мы увидим, что вода окрасится.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что частицы вещества находятся в постоянном движении. Такое движение в физике называется броуновским.
Это открытие сделал шотландский ученый Роберт Броун в 1827 году при исследовании пыльцы растений. Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и хаотически передвигаются с места на место. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Такое беспорядочное движение частиц было доказано в конце 19 века. В капле воды (если не давать ей высохнуть) движение крупинок можно наблюдать в течение многих дней, месяцев, лет. Оно не прекращается ни летом, ни зимой, ни днем, ни ночью. В кусках кварца, пролежавшего в земле тысячи лет, попадаются иногда капельки воды, замурованные в нем. В этих капельках тоже наблюдали броуновское движение плавающих в воде частиц.
§ 2 Диффузия
На основе постоянного беспорядочного движения молекул основано физическое явление - диффузия. Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Это явление может происходить в газообразных телах (распространение запахов в воздухе), в жидких телах (кофе с молоком) и в твердых телах. Причем в газах молекулы одного вещества занимают промежутки между молекулами другого гораздо быстрее, чем в твердых телах.
Увидеть диффузию в твердом теле в нормальных условиях невозможно, потому что при обычной температуре она происходит слишком медленно. Однако она существует.
Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую и ставят на них некоторый груз. При комнатной температуре за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 миллиметра.
Примером диффузии в природе может служить важный для жизнедеятельности организма процесс - дыхание. Именно благодаря диффузии кислород из легких попадает в кровь, а из крови - в органы и ткани организма.
Скорость протекания диффузии можно увеличить за счет повышения температуры. Ведь чай гораздо быстрее заваривается в горячей, а не в холодной воде. То есть при повышении температуры скорость передвижения молекул увеличивается и наоборот.
Таким образом, мельчайшие частицы любого вещества находятся в постоянном беспорядочном движении. На этом основано физическое явление - диффузия, скорость которой зависит от температуры.
§ 3 Кратко по теме урока
Итак, подведем итоги:
1.Вещество, которое является основой любого тела, состоит из мельчайших частиц - молекул.
2.Частицы вещества находятся в постоянном движении. Такое движение в физике называется броуновским.
3.На основе постоянного беспорядочного движения молекул основано физическое явление - диффузия. Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.
4.Это явление может происходить:
В газообразных телах (распространение запахов в воздухе);
В жидких телах (кофе с молоком);
В твердых телах.
5.В газах молекулы одного вещества занимают промежутки между молекулами другого гораздо быстрее, чем в твердых телах.
6.Увидеть диффузию в твердом теле в нормальных условиях невозможно, потому что при обычной температуре она происходит слишком медленно.
7.Скорость протекания диффузии можно увеличить за счет повышения температуры.
Список использованной литературы:
- Физика. Химия. 5-6 классы. Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С. – М.: Дрофа, 2011.
- Физика. 7 класс: Учебник для общеобразоват.учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2006.
- Физика. 8 класс: Учебник для общеобразоват.учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
- Занимательная физика. Я. Перельман
- Физика. 7 класс. Учебник. Гуревич А. Е.
Использованные изображения:
Атомов, молекул. Как ведут себя частицы вещества? Для получения ответа проведем опыт. В стаканы с теплой и холодной водой бросим по 2-3 кристаллика марганцовки (перманганата калия). Уже через несколько минут мы увидим, как вода постепенно окрашивается в розовый цвет. Причем в теплой воде окрашивание идет быстрее. О чем говорят результаты опыта?
- Розовый цвет воды указывает на то, что марганцовка растворяется в воде.
- Окрашивание идет по всем направлениям, значит, молекулы марганцовки и воды сталкиваются между собой и движутся беспорядочно (хаотически).
- Окрашивание воды в стакане с теплой водой идет быстрее. Это означает, что в теплой воде хаотическое движение молекул и столкновения более интенсивны, чем в холодной.
- Перемешивание веществ, проникновение их друг в друга указывает на то, что между молекулами есть расстояния.
Явление взаимного проникновения веществ друг в друга называют диффузией .
Беспорядочное движение частиц вещества, зависящее от степени его нагретости, называют тепловым . Хаотически движутся молекулы в газах. Движение молекул в жидкостях и твердых телах отличается от движения в газах, но тоже хаотично. Доказательством тому - диффузия.
Сидя в своей комнате, мы очень быстро по запаху пищи определяем, что готовит мама на кухне. Распространение запахов - это пример диффузии. В газах она идет быстрее, чем в жидкостях. Например, если бросить в стакан с водой кусочек сахара, то через некоторое время сахар растворится, и вся вода станет сладкой. Но на это потребуется время. Очень медленно идет диффузия в твердых телах. Нужны годы, чтобы частицы одного твердого тела проникли в другое.
Следует отметить огромную роль диффузии в природе и технике. В неживой природе - это непрерывное перемешивание газов в земной атмосфере, не позволяющее более тяжелым газам собираться в низинах. Это минерализация воды, т. е. растворение в ней различных неорганических (минеральных) веществ. Чистая, без этих веществ (дистиллированная), вода совершенно безвкусна и мало полезна для постоянного употребления в пищу. Важна диффузия при переносе питательных веществ и кислорода в растениях и других организмах. Путем диффузии осуществляется газообмен в легких и тканях животных. Кислород, содержащийся в воздухе, поступает в кровь, которая доставляет его к клеткам. Углекислый газ из клеток выделяется в кровь, а затем в окружающую среду. В технике диффузия используется для получения металлов с заданными свойствами. В первую очередь это стали и сплавы алюминия, широко применяемые в авиации. На диффузии основаны процессы пайки, сварки, склеивания материалов, метод обогащения урана - топлива для атомных электростанций и др.
Диффузия - только одно из явлений, подтверждающих хаотическое движение частиц вещества. Но есть и другие доказательства, с которыми вы познакомитесь позже.
Рассматривая под микроскопом пыльцу растений, английский ботаник Роберт Броун обнаружил беспорядочное и непрерывное движение ее частиц. Не зная, как объяснить увиденное, ученый решил, что частицы пыльцы живые. Броун провел опыт, взяв вместо пыльцы мелко истолченную глину. Все повторилось, как и в случае с пыльцой. Частички покрупнее двигались медленно, реже меняя направление движения. Мелкие частички двигались быстро, беспорядочно меняя направление из стороны в сторону. Кроме того, исследуя явление, Броун обнаружил, что в горячей воде частички движутся быстрее, чем в холодной.
Броун так и не смог объяснить причину физического явления, которое позже получило название броуновского движения. Но несмотря на это ботаник Броун прочно вошел в историю физики.
Позднее причина броуновского движения была точно установлена. Молекулы жидкости, двигаясь хаотично, ударяют со всех сторон по частичкам твердого тела. Различное число ударов с разных сторон заставляет частицы непрерывно и беспорядочно двигаться.
Броуновское движение экспериментально подтверждает реальность существования молекул и их движение.
Диффузия. Для наблюдения явления диффузии бросим несколько крупинок краски в высокий сосуд с водой, и они опустятся на дно. Вскоре вокруг них образуется облачко окрашенной воды. Оставим сосуд в покое на несколько недель в прохладной темной комнате. Наблюдая за сосудом всё это время, мы обнаружим постепенное распространение окраски по всей высоте сосуда. Говорят, что происходит диффузия краски в воду.
Как объясняется диффузия? Частицы веществ, беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки друг между другом. Это и означаетсамостоятельное смешивание веществ – диффузию.
Запах духов или бензина довольно быстро распространяется по комнате или гаражу. Так происходит потому, что духи и бензин испаряются – переходят в газообразное состояние, а диффузия в газах происходит быстро: за секунды-минуты. Заметно медленнее диффузия протекает в жидкостях: за недели-месяцы, а в твёрдых телах – очень медленно: за годы-столетия.
Скорость движения частиц и температура. При проведении опытов было замечено, что в тёплой комнате диффузия протекает быстрее. Например, на солнечном подоконнике диффузия краски в воду завершается заметно раньше (см. рисунки). Кстати, при повышении температуры броуновское движение также ускоряется.
Как же объяснить ускорение этих явлений? Объяснение одно: повышение температуры тела приводит к увеличению скорости движения составляющих его частиц.
Итак, каковы же выводы из опытов? Самостоятельное движение частиц веществ наблюдается при любой температуре. Однако при повышении температуры движение частиц ускоряется, что приводит к возрастанию их кинетической энергии (см. § 6-д). В результате эти более «энергичные» частицы ускоряют протекание диффузии, броуновского движения и других явлений, например, испарения и растворения.
Проверьте свои знания:
- Какова цель изучения этого параграфа?
- Опишите, что нового открыл Броун.
- Какова вторая заслуга Броуна перед своими последователями и наукой в целом?
- Нам потребуется сделать предположение (выдвинуть гипотезу), чтобы...
- В чём состоит объяснение явления броуновского движения?
- Почему движение спор на воде казалось Броуну не имеющим причины?
- Ни молекулы воды, ни спора не являются шарами. Это – одна из причин того, что на рисунке мы видим...
- Что моделируют составные части рассмотренной нами модели?
- Охарактеризуйте действие шариков на шар в нашей модели.
- Необходимое условие перескока шара на новое место – наличие...
- Опишите подготовительный этап опыта по наблюдению диффузии.
- Что мы сможем увидеть практически сразу же?
- Что мы увидим в течение нескольких недель?
- Дайте объяснение явлению диффузии.
- Диффузия – это...
- По сравнению с диффузией в жидкостях, диффузия в газах всегда...
- При повышении температуры ускоряется диффузия и...
- Что приводит к возрастанию скорости движения частиц?
- О чём говорит тот факт, что броуновское движение и диффузия наблюдаются и в холодной, и в тёплой комнате?
- Увеличение скорости частиц означает увеличение их...
- Ускорение каких ещё явлений мы можем наблюдать при повышении температуры?
Cтраница 1
Движение частицы вещества (молекулы, иона или молекулярного агрегата) представляют обычно в виде последовательных скачков, связанных с преодолением потенциального барьера между двумя равновесными положениями.
Совокупность законов движения частиц вещества, учитывающая их волновые свойства, получила название волновой или квантовой механики.
При нагревании скорость движения частиц вещества, как показывает кинетическая теория газов (IV.2), повышается пропорционально / Т, пропорционально которому растет и число столкновений между молекулами реагентов. Следовательно, основную причину сильного влияния температуры на скорость реакции следует искать в другом.
Между распространением световых лучей и движением частиц вещества имеется глубокая аналогия. Внешне эта аналогия проявляется в сходстве формы светового луча с траекторией частицы, движущейся в силовом поле. Например, форма луча во втором случае миража (§ 14) похожа на форму траектории снаряда, брошенного под углом к поверхности земли.
Конвекция - передача теплоты вместе с движением частиц вещества; имеет место только в жидкостях и газах.
Некоторые волны являются вполне или почти периодическими; движение частиц вещества повторяется много раз. Не всякие волны, однако, обладают этим свойством.
Одним из прогрессивных направлений электронной технологии является технология, основанная на использовании движения частиц вещества, управляемого по законам движения заряженных частиц в электрическом поле. При этом используются силы взаимодействия электрического поля и электрических зарядов и особенности движения зарядов в электрическом поле для воздействия на элементы сырья и придания им упорядоченного движения, необходимого для создания готового продукта. Поскольку силы электрического поля могут производить воздействие на сколь угодно малую частицу вещества, постольку технологический процесс является непрерывным, поддающимся весьма точному управлению и регулированию.
В этих устройствах частицы рабочей струи, обладающие большим запасом энергии и большой скоростью, вовлекают в движение частицы вещества (жидкого или газообразного) с меньшим запасом внергии.
В отличие от этого нет оснований считать свойства вещества и скорость света в нем одинаковыми во всех инерциальных системах, так как состояние движения частиц вещества различно в разных системах.
В соответствии с этим мы должны связать с волновым уравнением следующую картину: волновой процесс, удовлетворяющий этому уравнению, непосредственно вовсе не представляет движения частиц вещества; он только определяет возможные движения или, лучше, состояния вещества. Такая атомная система имеет дискретный набор состояний; но она имеет также и непрерывную область состояний, и последние обладают тем замечательным свойством, что в них возмущение всегда распространяется вдоль пути от атома и с конечной скоростью, точно так, как если бы частица была выброшена. Данный факт оправдывает, даже требует существования частиц, хотя в некоторых случаях, как мы уже говорили, это не может пониматься слишком буквально.
Как было отмечено в § 29, при рассмотрении различных сил, имеющихся в природе, электромагнитные силы - единственные силы, с помощью которых можно искусственно управлять движением частиц вещества. Поэтому вполне естественно, что предназначенные для этой цели приборы используют электромагнитные силы.
В 1905 - м году Альберт Эйнштейн высказал идею о двойственной природе света, ввел понятие квант света, а в 1923 - м году французский физик-теоретик Луи де - Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм и на движение частиц вещества, сопоставив каждой движущейся частице волновой процесс.
Такое противоречие с опытом, как известно, устраняется квантовой теорией тепла, согласно которой энергия распределяется между носителями более сложно и элементарная энергия (VzkT) достигается лишь в пределе, при полном возбуждении различных форм движения частиц вещества.
Почему же скорость реакции столь чувствительна к изменению температуры. При нагревании скорость движения частиц вещества, как показывает кинетическая теория газов [ формула (IV. YT, пропорционально которому растет и число столкновений между молекулами реагентов. Если температура повышается от 0 до 100 С, то число соударений возрастет всего в 1 / 373: 273 1 2 раза. Следовательно, основную причину сильного влияния температуры на скорость реакции следует искать в другом.
Почему же скорость реакции столь чувствительна к изменению температуры. При нагревании скорость движения частиц вещества, как показывает кинетическая теория газов (4.2), повышается пропорционально л / Т, пропорционально которому растет и число столкновений между молекулами реагентов. Если температура повышается на 100, то число соударений возрастает всего в / 373: 273 1 2 раза. Следовательно, основную причину сильного влияния температуры на скорость реакции следует искать в другом.
