Как доказать что частицы взаимодействуют друг с другом
Взаимодействие частиц веществ
В двух предыдущих параграфах мы обсудили опыты, иллюстрирующие первое и второе положения МКТ. Рассмотрим теперь эксперименты, иллюстрирующие третье основное положение МКТ и его следствия.
Для опыта возьмём два свинцовых цилиндрика с крючками. Чтобы убрать частицы пыли, ножом или лезвием зачистим до блеска торцы обоих цилиндриков (рис. а). Плотно прижав торцы друг к другу, мы обнаружим, что цилиндрики прочно «сцепились». Сила их сцепления настолько велика, что при удачном проведении опыта цилиндрики выдерживают тяжесть гири массой до 5 кг (рис. б). Из этого опыта следует вывод: частицы веществ притягиваются друг к другу. Однако это притяжение заметно лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие и, кроме того, плотно прилегают друг к другу.
Проделаем второй опыт (рис. в, г). Чтобы сдавить резиновый ластик пальцем, требуется очень большая сила; ластик проще изогнуть, чем сдавить. Другие тела (кроме газообразных) также очень сложно сдавить. Это говорит о том, что частицы веществ отталкиваются друг от друга.
Притяжение и отталкивание частиц веществ возникают лишь в случае, если частицы находятся в непосредственной близости друг от друга. Как правило, на расстояниях, больших размеров самих частиц, они притягиваются; на расстояниях, меньших размеров частиц, они отталкиваются. Если частицы удалены на расстояние, во много раз большее, чем их размеры, взаимодействие почти не проявляется.
Рассмотрим теперь энергетический аспект взаимодействия частиц.
Если какие-либо тела взаимодействуют, они обладают потенциальной энергией, зависящей от взаимного положения этих тел (см. § 5-д). На рисунке справа стрелками на частицах показаны силы отталкивания «соседок». Так же можно было бы изобразить и силы притяжения. Если бы все частицы находились на равных расстояниях друг от друга, то все силы взаимно уравновешивались бы («зелёная» частица). Однако, согласно второму положению МКТ, частицы движутся. Поэтому расстояния от каждой частицы до её соседок всё время меняются («красная» частица). Следовательно, силы их взаимодействия постоянно меняются и не уравновешиваются. При этих изменениях расстояний и сил меняется потенциальная энергия каждой частицы, принимая минимальное значение в положении её равновесия.
Потенциальную энергию частицы считают нулевой, когда она находится на большом удалении от других частиц, как, например, в газах, где взаимодействия между частицами практически нет (см. рис. § 7-б). В твёрдых и жидких веществах взаимодействие частиц есть, значит, есть и потенциальная энергия частиц (в скобках заметим: она отрицательна, но сейчас нам важно её значение по модулю). И, чтобы преодолеть взаимодействие частиц и развести их на расстояние, нужно совершить работу. И, чем больше работа по преодолению взаимодействия частиц для разведения их на расстояние, тем больше (по модулю) потенциальная энергия взаимодействия частиц изучаемого вещества.
Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы (см. рисунок). Поэтому меняются силы притяжения и отталкивания частиц, совместное действие которых проявляется как сила упругости.
Вернёмся к изгибу ластика (рис. г). Частицы резины мы условно изобразили шариками. При надавливании пальцем верхние частицы сближаются друг с другом («зелёное» расстояние меньше «красного»). Это приводит к возникновению между ними сил отталкивания (чёрные стрелки направлены от частиц). Нижние частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения (чёрные стрелки направлены к частицам). В результате ластик стремится выпрямиться, а значит, в нём существует сила упругости, направленная вверх – противоположно силе давления пальца.
Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ)
Какая-то абстрактная тема. Непонятно. В названии нет никаких уравнений, никаких законов. Что это вообще такое? Давайте попробуем разобрать название темы по словам. Мы думаем, что тогда что-то станет яснее.
« Основные положения… » – это, по-видимому, основные утверждения, которые надо понять, чтобы разобраться в «молекулярно-кинетической теории».
« Молекулярно-… » – это значит, что речь идёт про молекулы – некоторые мельчайшие частицы вещества. Мы думаем, что вы знаете про молекулы. Например, из химии. По крайней мере, знаете, что они в принципе существуют, а возможно, даже помните химические формулы некоторых молекул.
« …-кинетической… » – кинетика – знакомое слово. Например, оно встречалось в названии кинетической энергии – энергии движения. Значит, что-то движется. В названии темы есть слово «молекулы». Похоже, что они и движутся.
« …теории » – это слово, думаем, объяснять не нужно.
Если собрать вместе наше понимание отдельных частей, то получается, что это теория про то, что вещество состоит из молекул и они всё время двигаются. Так оно и есть.
По сути, перед тем как изучать вещество, физики решили договориться – а что такое вещество? Ответ на этот вопрос содержится в трёх пунктах – трёх постулатах молекулярно-кинетической теории:
1. Вещество состоит из мелких частиц: молекул или атомов; да, именно так – некоторые вещества состоят из молекул, а некоторые – напрямую, сразу – из атомов.
2. Эти частицы всё время хаотически (случайно) двигаются.
3. Частицы (молекулы) взаимодействуют друг с другом – отталкиваются и притягиваются.
Попробуем разобрать каждый из пунктов немного подробнее – и дополним картинками.
1. Вещество состоит из мельчайших частиц: молекул или атомов. Многие наверняка видели, как крошится сахар. Маленький кристаллик сахара можно дробить и дробить – так, что в итоге он превращается в пыль. Можно предположить, что есть некоторый предел этому дроблению, когда мы получим самые маленькие кусочки сахара – молекулы. Если бы нам удалось раздробить каждую из молекул сахара, то получившиеся фрагменты были бы уже не сахаром, а отдельными атомами, как вы, может быть, помните из курса химии.
На самом деле, молекулы сахара ну ооооочень маленькие. И тот сахарный порошок, который можно получить из сахара в домашних условиях, – это, конечно же, ещё не молекулы. Молекулы ещё меньше.
В некоторых случаях вещества состоят не из молекул, а из атомов. Атомы не объединяются в молекулы, а объединяются сразу во что-то вроде одной «большой молекулы». Например – атомы углерода в графите – в стержне ваших карандашей.
2. Молекулы и атомы всё время находятся в хаотическом движении. Это движение ещё называется тепловым движением молекул. В газах молекулы «летают» (двигаются) по всему объёму, в жидкости – достаточно свободно «плавают», в твёрдых телах – колеблются в некотором положении (около положения равновесия). Увидеть такое движение без микроскопа очень сложно. Но можно увидеть его следствия, проявления. Например, пусть у нас есть комната, в которой закрыты все окна, все двери, ниоткуда не дует. И в этой комнате, в одном из углов, мы распыляем духи. Через некоторое время запах духов будет чувствоваться не только в том углу, где они были распылены, но и в других частях комнаты тоже. Если бы молекулы духов никуда не двигались, то они бы никогда не переместились из того места, где их изначально распылили. А раз это произошло, значит – они двигаются, не стоят на месте. Причём запах духов будет ощущаться во всех углах комнаты. Значит, молекулы духов двигаются во все стороны, а не только в какую-то одну. Теперь и этот пункт молекулярно-кинетической теории становится для нас более понятным.
Что из перечисленного является примером хаотического теплового движения молекул?
Движение молекул воды в водопроводных трубах в квартире.
Движение молекул воздуха, взмывающих вверх над костром.
Движение молекул красителя в стакане с водой – постепенное распространение окраски воды на весь стакан.
Перемещение молекул воздуха в воздушном шарике, когда ребёнок бежит с ним по дороге.
3. Молекулы взаимодействуют друг с другом: отталкиваются и притягиваются. Ну, кажется, это вполне логично. Если одна молекула летит на другую, вряд ли одна молекула пройдёт насквозь через другую молекулу. Скорее всего, они оттолкнутся. Отталкивание, если рассматривать в деталях, – это электромагнитные силы. Но пока мы не будем сильно углубляться в этот вопрос.
То, что молекулы могут и притягиваться, можно понять, если вспомнить из курса химии, что молекулы состоят из атомов, а атомы – из положительных и отрицательных частиц: из положительных протонов и отрицательных электронов. Положительные и отрицательные частицы – притягиваются. Детально рассматривать механизм притяжения мы не будем. Просто поверим в то, что притяжение действительно может существовать.
Если постараться изобразить краткую суть положений МКТ на одном рисунке, то можно получить следующее:
Если толчёный мел размешать в воде, то частицы мела будут долго «висеть» в толще воды, не оседая на дно.
(Источник: ЕГЭ-2014. Физика. Досрочный экзамен. Вариант 1)
Это явление объясняется тем, что
вода выталкивает их вверх согласно закону Архимеда.
частицы мела совершают броуновское движение в воде.
Земля не притягивает столь мелкие частицы.
температура частиц мела выше температуры воды.
Идеальный газ
Возможно, вы знаете, что тела бывают:
Физики договорились, что есть некоторая модель – модель идеального газа.
Она фактически рождается из основных положений МКТ. Только есть небольшие изменения и дополнения. Вот они.
Модель идеального газа :
– размеры молекул газа несравнимо меньше расстояний между молекулами газа; молекулы идеального газа – это крошечные шарики, которые «летают» в пространстве»;
– эти «шарики» никак не взаимодействуют друг с другом на расстоянии – не притягиваются и не отталкиваются (кстати, это не противоречие МКТ, а её упрощение: в реальном мире молекулы взаимодействуют друг с другом – притягиваются и отталкиваются; нам же нужно что-то попроще, чем реальный мир, – поэтому мы говорим, что молекулы друг с другом не взаимодействуют);
– они взаимодействуют только при непосредственном ударе друг о друга;
Модель идеального газа – это упрощение ситуации с реальным газом. Но упрощение, которое очень близко к реальности – к тому, что происходит в газе по-настоящему.
Неплохим аналогом идеального газа может быть движение бильярдных шаров на столе. Правда, в этом случае движение плоское. В случае газа – оно объёмное.
Учитель записал на доске три утверждения, относящиеся к молекулам.
(Источник: ЕГЭ-2014. Физика. Тренировочная работа от 06.05.2014)
Какие из этих утверждений можно соотнести с моделью идеального газа?
Все три утверждения.
Только первое утверждение.
Первое и второе утверждения.
Первое и третье утверждения.
Задачи для самостоятельного решения: #основные положения мкт
Урок по теме «Атомистическая гипотеза строения вещества и ее экспериментальные доказательства. Размеры молекул»
Разделы: Физика
Тип урока: урок изучения нового материала.
Изложение нового материала
Сегодня мы приступаем к изучению нового раздела физики, который называется “Основы молекулярно-кинетической теории” (МКТ).
Цель урока: познакомиться с основными положениями молекулярно-кинетической теории и их опытными подтверждениями.
Кто скажет: Что такое молекула?
I. Все, кто интересуется окружающим нас миром, хотели бы знать, как устроена материя. И даже не из праздного любопытства, а скорее всего для практических целей:
Отсюда видно, что вопрос о природе вещества имеет большое значение для нашего с вами благосостояния и является одной из вечных проблем физики.
Вот каково значение представлений о строении вещества!
II. Всегда ли существовала эта теория в том виде, в котором мы ее изучаем в школе? Каковы пути ее становления?
История МКТ
Еще в 4-ом веке до нашей эры греческий ученый Демокрит считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. Однако у древних греков эти идеи были не более чем гениальной догадкой.
В 17 веке атомистика возрождается вновь, но уже не как догадка, а как научная гипотеза.
Особенное развитие эта гипотеза получила в трудах Михаила Васильевича Ломоносова (1711 – 1765 г.), который пытался объяснить известные физические и химические явления, исходя из молекулярного строения вещества. Ломоносов причину тепла видел в движении частиц тела.
Таким образом, Ломоносовым были по существу сформулированы молекулярно-кинетические представления.
Во второй половине 19 века и в начале 20 века атомистика превратилась в научную теорию.
III. На что же опирается МКТ?
Основные положения МКТ:
IV. Опытные подтверждения МКТ
Многие опыты подтверждают представления о строении вещества. Рассмотрим некоторые из них.
Опыт 1. Шар Гравезанда
При нагревании тел объем увеличивается, вследствие чего увеличиваются и промежутки между частицами.
Доказывает наличие промежутков между частицами.
Опыт 2. Окрашивание воды марганцовокислым калием.
— Почему небольшим кристаллом КМnО4 можно окрасить воду?
— О чем свидетельствует проникновение одного вещества в другое?
Ответ: О существовании промежутков в веществе, т.е. о дискретности его строения.
Опыт 3. Смешивание 50 мл воды и 50 мл спирта.
V
Фотографии, полученные с помощью электронного проектора, позволяют рассмотреть расположение атомов в веществе.
Увеличение проектора (n) равно отношению радиуса сосуда (R) к радиусу острия ( r ) и достигает двух миллионов. Именно поэтому удается видеть отдельные атомы.
n = 
Диаметр атома вольфрама, определяемый с помощью ионного проектора, оказывается равным приблизительно 2 * 10 –8 см. Размеры атомов, найденные другими методами, оказываются примерно такими же. Размеры молекул, состоящих из многих атомов, естественно, больше.
Эти размеры так малы, что их невозможно себе представить. В таких случаях прибегают к помощи сравнения. Вот одно из них. Если молекулу воды увеличить до размеров яблока, то само яблоко станет размером с земной шар.
V. Оценка размеров молекул
Для полной уверенности в реальности существования молекул необходимо определить их размеры.
Объем слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину слоя d, Найти: d т.е. V = S d. Следовательно, размер молекулы оливкового масла равен: d = 
VI. Отработка изученного материала
Вопросы обучающимся:
1. Приведите примеры доказательств существования молекул.
2. Приведите факты, показывающие делимость веществ.
3. В чем состоит явление диффузии?
4. Какие опыты доказывают, что между молекулами твердых и жидких тел действуют силы притяжения и отталкивания?
5. Почему полировка трущихся поверхностей может привести не к уменьшению трения, а, наоборот, к увеличению?
6. Как доказать, что кусок сахара состоит из частиц?
7. Как экспериментально доказать, что частицы сахара взаимодействуют между собой?
8. Как доказать, что частицы сахара движутся?
9. Почему в холодной воде сахар растворяется медленнее?
VII. Подведение итогов
IX. Рефлексия: предлагается учащимся ответить на “вопросы”:
Дается оценка своей учебной деятельности на уроке.
взаимодействие частиц вещества
Мы знаем, что тела и вещества состоят из отдельных частиц, между которыми есть промежутки. Почему же тогда тела не рассыпаются на отдельные частицы, подобно гороху в разорвавшемся пакете?
Проделаем опыт. Возьмем два свинцовых цилиндрика. Ножом или лезвием зачистим их торцы до блеска и плотно прижмем друг к другу. Мы обнаружим, что цилиндрики «сцепятся». Сила их сцепления настолько велика, что при удачном проведении опыта цилиндрики выдерживают тяжесть гири в 5 кг.
Из опыта следует вывод: частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием) и, кроме того, плотно прижаты друг к другу.
Частицы веществ способны отталкиваться друг от друга. Это подтверждается тем, что жидкие, а особенно твердые тела очень трудно сжать. Например, чтобы сдавить резиновый ластик, требуется значительная сила! Ластик гораздо легче изогнуть, чем сдавить.
Притяжение или отталкивание частиц веществ возникает лишь в том случае, если они находятся в непосредственной близости. На расстояниях, чуть больших размеров самих частиц, они притягиваются. На расстояниях, меньших размеров частиц, они отталкиваются. Если же поверхности тел удалены на расстояние, заметно большее, чем размер частиц, то взаимодействие между ними не проявляется никак. Например, нельзя заметить никакого притяжения между свинцовыми цилиндриками, если их сначала не сжать, то есть не сблизить их частицы.
Энергия взаимодействия частиц. Поскольку частицы вещества взаимодействуют, они обладают потенциальной энергией. Докажем это на примере частиц жидкости.
Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы. Поэтому между ними возникают силы притяжения-отталкивания, которые мы и объединяем термином «сила упругости».