Цели занятия
-
Итог
Сравнивает по порядку величины размеры атома, молекулы и видимой частицы и записывает их в метрах и нанометрах.
-
Итог
Объясняет диффузию и броуновское движение как наблюдаемые следствия хаотического теплового движения молекул.
-
Итог
Оценивает число частиц в образце по его массе или объёму, используя число Авогадро.
-
Итог
Объясняет различие сжимаемости газа и жидкости через расстояния между частицами в модели частиц.
Понять идею
Атомы, молекулы и масштаб частиц: как устроено вещество
Текст
Физика изучает явления через модели: модель заменяет реальный объект упрощённым образом, сохраняя его существенные свойства. Одна из базовых моделей — дискретное строение вещества: любое вещество состоит из огромного числа мельчайших частиц — атомов и молекул, между которыми есть промежутки. Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства; молекула состоит из двух или более атомов, связанных между собой. Масштаб частиц удобно выражать в нанометрах: ; диаметр атома порядка , небольшая молекула — около , а видимая песчинка — около , то есть в миллион раз больше молекулы. Количество частиц описывают числом Авогадро: в одном моле вещества содержится частиц. Частицы не видны глазом, но проявляют себя в броуновском движении и диффузии — эти явления объясняются непрерывным хаотическим тепловым движением молекул и подтверждают модель.
Разобранные примеры
Напрямую
Задача
Диаметр атома приближённо равен . Оцените, сколько атомов уложилось бы в ряд длиной , и запишите ответ степенью числа 10.
Решение
Переведём длину в метры: .
В модели «атомы — шарики, уложенные вплотную» число частиц в ряду
Это , то есть десять миллионов атомов. Вывод: нанометровый мир на семь порядков меньше привычных размеров, поэтому отдельные атомы глазом не видны.
Применение
Задача
Капля воды имеет объём . Плотность воды , молярная масса . Оцените число молекул в капле, используя .
Решение
- Объём в СИ: .
- Масса капли: .
- Количество вещества: .
- Число молекул:
Ответ: около молекул. Такой результат показывает, почему вещество удобно описывать статистически, а не по отдельным частицам.
Перенос
Задача
Пользуясь моделью частиц, объясните, почему воздух в шприце легко сжать, а воду — почти нельзя. Оцените среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях () и сравните его с диаметром молекулы .
Решение
- Число молекул в единице объёма:
- Среднее расстояние между молекулами:
- Сравнение с диаметром: .
В газе молекулы разделены промежутками порядка десяти диаметров, поэтому при сжатии объём уменьшается без сближения молекул вплотную. В жидкости и твёрдом теле молекулы почти соприкасаются (), и дальнейшему сжатию препятствует отталкивание электронных оболочек. Так модель частиц объясняет различие сжимаемости без введения новых сущностей.
Практика
Текст
Цель: увидеть, как модель частиц объясняет наблюдаемое поведение вещества.
- Откройте симуляцию PhET «States of Matter: Basics» (или аналогичную) на компьютере или телефоне.
- Выберите состояние «газ», включите отображение частиц и в течение минуты наблюдайте их движение; зарисуйте 5–6 траекторий.
- Повысьте температуру и отметьте, как меняется скорость частиц; затем понизьте её и сравните картину.
- Переключитесь на «жидкость» и «твёрдое тело»; сравните расстояния между частицами и степень их упорядоченности.
- Сформулируйте вывод: как связаны расстояния между частицами и сжимаемость вещества.
Безопасность: прямое наблюдение атомов невозможно, поэтому работаем с симуляцией; не нагревайте закрытые сосуды и не проводите опыты с неизвестными веществами.
Визуальная подсказка
Назначение
Сделать наглядным огромный диапазон масштабов: показать, что атом меньше молекулы, молекула намного меньше видимой крупинки, и связать эти размеры с числом Авогадро.
Представление
Схема-«лестница масштабов» на логарифмической шкале: слева направо отмечены атом (), небольшая молекула (), наночастица (–), клетка () и песчинка (); под каждой меткой подписан соответствующий показатель степени и приведён маленький схематичный рисунок (шарик, модель молекулы из двух атомов, силуэт клетки, крупинка). Отдельной врезкой показана модель молекулы воды: два атома водорода и один атом кислорода, связанные вместе, — так иллюстрируется связь «атом → молекула».
Примеры из жизни
Прокол велосипедной шины
Сценарий
Шина накачана до ; отверстие от прокола имеет диаметр . Размер молекулы воздуха около . Поперёк отверстия укладывается молекул.
Связь
Пример использует отношение масштабов: отверстие макроскопическое, но его ширина равна миллионам молекулярных диаметров, поэтому выходящий воздух — поток частиц, а не сплошной лист.
Литий-ионный аккумулятор телефона
Сценарий
Аккумулятор телефона имеет толщину . В графите ионы лития располагаются между слоями, расстояние между которыми . По толщине укладывается межслоевых промежутков.
Связь
Сценарий задействует атомно-молекулярный масштаб слоистых твёрдых тел: заряд запасается потому, что ионы входят в промежутки, сравнимые с атомными расстояниями.
Кубик сахара в чае
Сценарий
Кубик сахара имеет ребро . Молекула сахарозы имеет размер около . Вдоль ребра укладывается молекул, а во всём кубике — порядка молекул. При размешивании они покидают кристалл и распределяются по воде.
Связь
Здесь используется огромное число и малый размер молекул: видимый твёрдый кубик — плотная сборка молекул, которые могут разделяться без видимых обломков.