§ 1 Строение вещества
В этом уроке мы узнаем, из чего состоят вещества, чем одно вещество отличается от другого.
Известно, что физические тела состоят из вещества. Например, стакан изготовлен из стекла, чайник - из металла, мяч - из резины. На рисунке представлены лед, вода и водяной пар, вырывающийся из носика чайника.
Это одно и то же вещество: лед - твердое тело, вода - жидкость, пар - газообразное состояние воды, но внешне они разные. Вода течет, лед сохраняет свою форму, пар постепенно распространяется по всему помещению. Одно и то же тело может быть твердым, жидким и газообразным и иметь разные свойства. Почему? Как устроено вещество? Этот вопрос интересовал людей очень давно. Еще 2500 лет назад древнегреческий ученый Демокрит считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. В научную теорию эта гипотеза превратилась в XVIII веке.
Чтобы раскрыть суть теории о строении вещества, поставим опыты.
Первый опыт. Сожмем воздушный шарик. Мы видим, что объем шарика уменьшается.
Второй опыт. Есть физический прибор, состоящий из подвешенного к тонкой проволоке металлического шарика и кольца, причем шарик свободно проходит сквозь кольцо. Но если шарик нагреть, он перестанет проходить через кольцо. Через некоторое время, остыв, он снова пройдет сквозь него.
Третий опыт. Подержим термометр в руках. Мы заметим, как столбик ртути в термометре начинает подниматься и вот уже вместо 36 градусов показывает 37-38 градусов.
Из этих опытов мы можем сделать вывод: объем тела можно изменить. При нагревании объем тела увеличивается, при охлаждении - уменьшается.
Как объяснить результаты опытов?
Все вещества состоят из частиц, между которыми есть расстояния. Эти частицы могут сдвигаться друг относительно друга, при этом объем всего тела или увеличивается, или уменьшается.
Но если все тела состоят из отдельных частиц, почему они нам кажутся сплошными?
Дело в том, что эти частицы очень малы, увидеть их невооруженным глазом невозможно. Чтобы убедиться в этом, поставим еще один опыт. В стакан с чистой водой опустим несколько крупинок марганцовки (рис. 5). Мы видим, как вода окрашивается. Перельем немного раствора в мензурку с чистой водой. Раствор в мензурке будет окрашен слабее. Из мензурки перельем немного раствора во вторую мензурку, из нее - в третью, из третьей - в четвертую. С каждым разом вода будет окрашена слабее.
Из того, что первоначально в воду положили небольшую крупинку марганцовки и только часть ее попала в четвертый сосуд, мы можем сделать вывод, что крупинка состояла из большого количества мельчайших частиц.
Этот опыт и многие другие подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из очень маленьких частиц, между которыми есть расстояния.
§ 2 Молекулы
Мельчайшую частицу вещества называют молекулой.
Наименьшая частица воды - молекула воды. Наименьшая частица кислорода - молекула кислорода. Размеры молекул очень малы. Если в воду капнуть капельку масла, то она растекается по поверхности воды, толщина слоя масла составит одну тысячную часть миллиметра. Насколько малы размеры снежинки, но она состоит из огромного числа молекул.
Для изучения свойств молекул были поставлены разные опыты, из которых доказано, что:
1) молекулы одного и того же вещества одинаковы; это значит, лед, вода и водяной пар состоят из одинаковых молекул;
2) молекулы разных веществ различны;
3) между молекулами есть расстояния, промежутки;
4) при нагревании расстояния между молекулами увеличиваются, при охлаждении - уменьшаются. Из-за этого изменяется объем тела, например, металлического шарика или столбика ртути в термометре
Молекулы - мельчайшие частицы вещества, но и они состоят из более мелких частиц - атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Молекулы принято изображать схематически. Схема молекулы воды представлена на рисунке:
Зная строение вещества, можно объяснить различные физические явления. Например: почему летом после грозы лужи быстро высыхают? Молекулы воды при нагревании испаряются, то есть переходят в воздух, и постепенно число молекул воды в луже и, следовательно, сама лужа уменьшается. Почему подошва обуви постепенно изнашивается? Подошва состоит из огромного количества молекул. При ходьбе молекулы подошвы остаются на асфальте, на полу, на ступеньках крыльца, их число в подошве уменьшается, и подошва становится тоньше.
§ 3 Важно запомнить
Итак, для объяснения различных физических явлений, применения на практике свойств различных тел, для создания новых материалов с нужными свойствами важно знать строение вещества.
Все вещества состоят из очень маленьких частиц, между которыми есть расстояния.
Молекула - мельчайшая частица вещества.
Молекулы одного и того же вещества одинаковы. Молекулы разных веществ различны.
Между молекулами есть расстояния, промежутки. При нагревании расстояния между молекулами увеличиваются, при охлаждении - уменьшаются.
Список использованной литературы:
- Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
- Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
- Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. - М.: Илекса, 2008. – 192 с.
- Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
- Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
- Перышкин А.В. Физика. 7 класс - М.: Дрофа, 2011.
- Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
Использованные изображения:
Статистический и термодинамический методы изучения физики
Для описания процессов, протекающих в твердых, жидких и газообразных телах используют статистический и термодинамический методы исследования.
Теорию, изучающую свойства макроскопических тел, состоящих из большого числа одинаковых частиц (атомов, молекул, электронов и т.д.), называют статистической физикой.
В соответствии с принципом неопределенностей одновременно точное определение координат и скоростей частиц невозможно. Статистическая физика, используя законы теории вероятности, объясняет наблюдаемые на опыте физические свойства тел как усредненный результат действия отдельных частиц.
Термодинамика изучает свойства макроскопических тел и протекающие в них процессы, не рассматривая их внутреннее строение.
Основу термодинамики составляют фундаментальные законы (начала), установленные как результат обобщения ряда опытных фактов.
Изучая одни и те же физические объекты с различных точек зрения, статистическая физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга и таким образом, дают более полное представление об изучаемых веществах.
Атомно-молекулярное строение вещества
Физическое тело в любом состоянии состоит из мельчайших частиц: атомов и молекул, которые хаотически движутся. Интенсивность этого движения зависит от температуры. Доказательством существования теплового хаотического движения молекул является броуновское движение ( Броун , 1827 г.).
Вещество - вид материи, состоящий из фундаментальных элементарных частиц кварков и лептонов. В основном вещество построено из электронов, протонов, нейтронов, масса покоя которых не равна нулю.
Вещества, в зависимости от физических условий, могут находиться в газообразном, жидком или твердом состояниях. Согласно представлениям современной физики, атом - микрочастица - наименьшая часть химического элемента. Каждому химическому элементу соответствует определенный род (вид) атома, обозначенного химическим символом, например, медь - Сu, железо - Fe, кислород - О и т.д. Атомы могут существовать в свободном и связанном состояниях. В свободном состоянии атомы образуют газ. В связанном состоянии (или в составе молекул) атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения. Наиболее полно свойства атомов определены квантовой механикой. Атом состоит из ядра и электронов .
В состав ядра атома входят протоны, несущие положительный элементарный заряд +е (½е ½=1,6×10 -19 Кл) и нейтроны , не имеющие заряда. Размер атома определяется электронной оболочкой (d » 10 - 11 - 10 - 10 м). Электроны - частицы, несущие отрицательный элементарный заряд (- е ).
Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, которые соединены между собой химическими связями.
Число атомов в молекулах колеблется от двух до сотен и тысяч.
Ион - атом, имеющий заряд. Атом или молекулу, потерявших один или несколько электронов, называют положительным ионом с зарядом +kе , где k =1, 2, 3, ... - кратность ионизации, целое число.
Атом или молекулу, присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательным ионом с зарядом -kе .
Мерой количества вещества в СИ считается моль .
Моль - количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов, молекул), равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода .
Массу моля вещества называют молярной массой и обозначают M. Число молей
| n = m/M | (1.1) |
где m - масса вещества.
Единицей измерения молярной массы в СИ считается кг/моль.
Вопрос о строении материи издавна интересовало людей.
Но в течение тысячелетий невозможно проверить высказанные догадки и обосновать их. Однако постепенно картина становилась яснее. Все современные представления о строении материи основываются на трех основных положениях.
1. Все тела состоят из частиц.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом.
Что же это за частицы? Еще древнегреческий ученый Демокрит утверждал, что в мире существуют только атомы и пустота. Атомами он называл мельчайшие частицы вещества (слово «атом» означает «неделимый»). После долгих исследований удалось наконец получить доказательства существования атомов, однако почти сразу выяснилось, что они не являются неделимыми, а сами состоят из элементарных частиц. Как же мы сегодня представляем себе атом? Атомы очень малы по размерам (примерно одна десятимиллионная доля миллиметра). Можно привести известные сравнения: если бы атомы увеличились до размеров маленького капли воды, то такая капля могла бы накрыть довольно большой город! Однако даже этот маленький объем почти весь пустой! Атом очень напоминает Солнечную систему в миниатюре: посередине крохотное ядро, а вокруг ядра движутся электроны. Ядро имеет положительный электрический заряд, а электроны - отрицательный. Итак, между ними действует сила электрического притяжения. Она не дает электронам покинуть атом. Диаметр ядра в 100 000 раз меньше, чем диаметр атома! В состав ядра входят два типа частиц: нейтроны (нейтральные частицы) и протоны (они имеют положительный электрический заряд). Масса каждой из этих частиц почти в 2000 раз превышает массу электрона.
Надо показать условные изображения простых атомов.
Сейчас существует много доказательств существования атомов. Наиболее убедительные для вас, наверное, изображения атомов, полученные на современном электронном микроскопе.
Фотографии молекулярных кристаллов.
Что необычного для нас в атомах? Разумеется, прежде всего - очень малые размеры. Но есть еще такое свойство, как одинаковость, невозможность различить атомы одного вещества (например, одинаковыми являются все атомы углерода или гелия). Сравним: сколько бы не было иголок на сосне, которые они не были похожи, но всегда можно найти хоть какие-то различия (например, точное взвешивание покажет, что массы иголок несколько отличаются).
Атомы объединяются в группы и образуют молекулы. Различные вещества состоят из разных молекул. Например, вода - из молекул воды, которая, в свою очередь, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (надо показать рисунок или соответствующее изображение на экране). А вот молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода. Различных видов атомов существует около ста, а различных молекул - миллионы!
Можно сказать о существовании гигантских молекул с большим числом атомов.
Вещество состоит из атомов, которые могут объединяться в молекулы. Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов.
Откуда мы знаем про движение атомов и молекул? Приведем пока лишь один факт. В начале XIX века английский ботаник Броун наблюдал под микроскопом крошечные частицы растительного происхождения (споры), которые находились в воде. Он с удивлением убедился, что такие частицы никогда не находятся в покое!
Можно показать «траектории» движения броуновских частиц.
Опыт показывает, что не следует на данном этапе вспоминать изотопы. Ученикам нужно говорить правду, только правду, но не всю правду...
Первые подозрения, что эти частицы «живые», оказались неверными: такое движение наблюдается для частиц любого состава, если они достаточно малы. Остановить это движение невозможно. Однако ослабить его можно, если снизить температуру. Объяснение броуновского движения было найдено позже: это движение объясняется движением невидимых даже под микроскопом молекул жидкости. Поскольку это движение хаотично, молекулы «толкают» броуновская частичку чуть сильнее то в одну, то в другую.
Модель хаотического движения молекул.
Итак, броуновское движение свидетельствует о непрерывном хаотическое движение молекул вещества, скорость которого зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.
Как вы думаете, на которых частицах можно наблюдать броуновское движение в воздухе?
Хаотическое движение молекул тем быстрее, чем выше температура вещества.
Если бы молекулы не взаимодействовали друг с другом, то они просто разлетелись бы (т.е. все тела превратились в газ). Однако между молекулами действуют довольно большие силы. Правда, они становятся, только когда молекулы расположены близко друг от друга. Это силы притяжения и отталкивания (можно подробнее обсудить, когда из этих сил преобладают).
Еще одно свидетельство о молекулярной структуре вещества и движение молекул дает явление диффузии.
Диффузией называют взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное хаотическим движением молекул.
Можно вспомнить или продемонстрировать распространения запахов в воздухе, показать диффузию медного купороса в воде (чтобы это была честная демонстрация явления, надо один из растворов готовить заранее, за 2-3 недели). Можно привести примеры диффузии в твердых телах («сварки» свинца и золота, меди и серебра). Можно кратко сообщить о диффузном сварки, которое позволяет соединить металл даже с керамическим материалом.
В татье рассмотрены вопросы: Что такое радиация, причины возникновения радиации. Распад радиоактивных веществ. Строение атома, что такое протоны, нейтроны, электроны, изотопы, нуклиды.
Все что мы видим вокруг, что нас окружает, состоит из крошечных кирпичиков - молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Атомы состоят из еще более мелких частиц - нейтронов, протонов, электронов. Одна молекула может содержать несколько различных атомов, количество и вид которых определяет химические и физические свойства вещества. Например, одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Структура любого атома похожа на миниатюрную модель солнечной системы, у которой в центре расположено ядро, состоящее из нейтронов и протонов, а вокруг ядра вращаются электроны. Каждый элемент атома имеет свой заряд: электрон - отрицательный; протон - положительный; нейтрон - нейтрален. В нормальном состоянии атом имеет нейтральный заряд, так как количество электронов и протонов всегда одинаковое.
От количества протонов в ядре атома зависит к какому химическому элементу относится сам атом. У одного и того же химического элемента в ядре атома может содержаться различное количество нейтронов. Например, атом водорода в своем ядре может содержать один или два протона, либо вообще не содержать протонов. При этом все три вида вещества будут относится к одному химическому элементу - водороду, но будут иметь разные физические свойства. Подобные элементы называются изотопами элемента. Группа изотопов одного элемента называется - нуклидами.
Значительная часть изотопов из-за своей сложной структуры и большого количества элементов в ядре атома, имеют не стабильную структуру и как следствие непродолжительное время существования. Если в ядре атома количество протонов и нейтронов сильно различается, то такой элемент является нестабильным. В результате одни элементы распадаются, образуя более простые элементы, а те в свою очередь так же могут распадаться на еще более простые и стабильные элементы. Данный процесс называется радиоактивным распадом вещества , а время, за которое часть вещества распадается, называется периодом полураспада вещества . Одни элементы могут оставаться стабильными миллиарды лет, другие могут существовать лишь тысячные доли секунды. Процесс распада в природе происходит по определённым цепочкам, от одного вещества к другому на протяжении всего существования материи.
Существует и обратный процесс, кода из более простых веществ, образуются более сложные вещества - данный процесс называется синтезом . Подобные процессы происходят в звездах и других небесных телах, в которых протекают активные термоядерные реакции. Например, в нашем солнце один из основных процессов, это слияние молекул водорода и образование из них молекул гелия.
Радиация
В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют - ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение , или еще проще радиация . К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.
Радиоактивное излучение, сталкиваясь с материей, проникает в нее, начинает взаимодействовать с атомами и молекулами, вырывая электроны с внешних оболочек атомов, что приводит к изменению заряда атома.
Ионизация - это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.
Все элементарные частицы атома обладают огромной энергией и движутся с большими скоростями. В процессе радиоактивного (ионизирующего) излучения, излучаемые элементы сталкиваются с материей, встречающейся у нее на пути, и оказывают на нее мощное энергетическое воздействие. В этом и кроется основная опасность радиации как процесса или воздействия. Под воздействием радиации, как живая, так и не живая материя, может претерпевать значительные изменения, поглощая энергию излучения.
От того, какие элементы излучаются атомом вещества в виде радиации, зависит степень воздействия радиации на вещество.