Во второй половине девятнадцатого века исследование броуновского (хаотичного) движения молекул вызывало острый интерес у многих физиков-теоретиков того времени. Разработанная шотландским ученым Джеймсом вещества хоть и была общепризнанной в европейских научных кругах, но существовала лишь в гипотетическом виде. Никакого практического ее подтверждения тогда не было. Движение молекул оставалось недоступным непосредственному наблюдению, а измерение их скорости казалась просто неразрешимой научной проблемой.
Именно поэтому эксперименты, способные на практике доказать сам факт молекулярного строения вещества и определить скорость движения его невидимых частиц, изначально воспринимались как фундаментальные. Решающее значение таких экспериментов для физической науки было очевидно, так как позволяло получить практическое обоснование и доказательство справедливости одной из самых прогрессивных теорий того времени - молекулярно-кинетической.
К началу двадцатого столетия мировая наука достигла достаточного уровня развития для появления реальных возможностей экспериментальной проверки теории Максвелла. Немецкий физик Отто Штерн в 1920-м году, применив метод молекулярных пучков, который был изобретен французом Луи Дюнойе в 1911-м году, сумел измерить скорость движения газовых молекул серебра. Опыт Штерна неопровержимо доказал справедливость закона Результаты этого эксперимента подтвердили верность оценки атомов, которая вытекала из гипотетических предположений, сделанных Максвеллом. Правда, о самом характере скоростной градации опыт Штерна смог дать только весьма приблизительные сведения. Более подробной информации науке пришлось ждать еще девять лет.
С большей точностью закон распределения удалось проверить Ламмерту в 1929-м году, несколько усовершенствовавшему опыт Штерна путем пропускания молекулярного пучка сквозь пару вращающихся дисков, имевших радиальные отверстия и смещенных относительно друг друга на определенный угол. Изменяя скорость вращения агрегата и угол между отверстиями, Ламмерт смог выделить из пучка отдельные молекулы, которые обладают различными скоростными показателями. Но именно опыт Штерна положил начало экспериментальным изысканиям в области молекулярно-кинетической теории.
В 1920-м году была создана первая экспериментальная установка, необходимая для проведения экспериментов такого рода. Она состояла из пары цилиндров, сконструированных лично Штерном. Внутрь прибора был помещен тонкий платиновый стержень с серебряным напылением, которое и испарялось при нагревании оси электричеством. В условиях вакуума, которые были созданы внутри установки, узкий пучок атомов серебра проходил свозь продольную щель, прорезанную на поверхности цилиндров, и оседал на специальном внешнем экране. Разумеется, агрегат находился в движении, и за то время, пока атомы достигали поверхности, успевал повернуться на некоторый угол. Таким способом Штерн и определил скорость их движения.
Но это не единственное научное достижение Отто Штерна. Через год он совместно с Вальтером Герлахом провел эксперимент, подтвердивший наличие у атомов спина и доказавший факт их пространственного квантования. Опыт Штерна-Герлаха потребовал создания специальной экспериментальной установки с мощным в ее основе. Под воздействием магнитного поля, генерируемого этим мощным компонентом, отклонялись согласно ориентации их собственного магнитного спина.
Муниципальное общеобразовательное учреждение гимназия №1
Центрального района г. Волгограда
Урок физики по теме
Движение молекул. Опытное определение скоростей движения молекул
10 класс
Подготовила: учитель физики высшей категории
Петрухина
Марина Анатольевна.
УМК: Н. С. Пурышева,
Н. Е. Важеевская,
Д. А. Исаев
«Физика – 10», рабочая тетрадь к данному учебнику и мультимедийное приложение к учебнику.
Волгоград, 2015
Урок по теме
Движение молекул.
Опытное определение скоростей движения молекул
10 класс
Аннотация .
Понимание важнейших вопросов современной физики невозможно без некоторых, хотя бы самых элементарных представлений о статистических закономерностях. Рассмотрение газа как системы, состоящей из огромного числа частиц, позволяет в доступной форме дать представление о вероятности, статистическом характере закономерностей таких систем, о статистических распределениях, указывающих, с какой вероятностью частицы системы имеют то или иное значение параметров, определяющих их состояние, и на основе этого излагать основные положения классической теории газов. К одному из уроков, которые позволяют сформировать данное представление, относится представленный урок по УМК издательства «Дрофа»: учебник физики Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская, Д. А. Исаев, рабочая тетрадь к данному учебнику и мультимедийное приложение к учебнику.
Пояснительная записка.
Данный урок можно провести в процессе изучения темы «Основы МКТ строения вещества» в 10 классе.
Новый материал урока позволяет углубить знания учащихся об основах кинетической теории газов и использовать его при решении задач на определение скоростей молекул различных газов.
Каждый этап урока сопровождается показом тематического слайда мультимедийного приложения и видеофрагментом.
Цель урока:
Деятельностная: формирование у учащихся новых способов деятельности (умение задавать и отвечать на действенные вопросы; обсуждение проблемных ситуаций; умение оценивать свою деятельность и свои знания).
Задачи урока:
Обучающая: формирование умения анализировать, сравнивать, переносить знания в новые ситуации, планировать свою деятельность при построении ответа, выполнении заданий и поисковой деятельности через физические понятия (наиболее вероятная скорость, средняя скорость, средняя квадратичная скорость), активизировать мыслительную деятельность учащихся.
Воспитывающая: воспитание дисциплинированности при выполнении групповых заданий, создание условия для положительной мотивации при изучении физики, используя разнообразные приемы деятельности, сообщая интересные сведения; воспитывать чувство уважения к собеседнику, индивидуальной культуры общения.
Развивающая: развивать умения строить самостоятельные высказывания в устной речи на основе усвоенного учебного материала, развитие логического мышления, развитие умения единого математического подхода для количественного описания физических явлений на основе молекулярных представлений при решении задач.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Методы обучения: эвристический, объяснительно – иллюстративный, проблемный, демонстрации и практические задания, решение задачи физического содержания.
Ожидаемые результаты:
уметь делать вывод на основе эксперимента;
вырабатывать правила дискуссии и соблюдать их;
понимать смысл обсуждаемых вопросов и проявлять интерес к данной теме.
Подготовительный этап: знание основных уравнений, зависимостей по данной теме (теоретический блок по теме находится у каждого ученика в виде лекции - конспекта)
Оборудование: прибор для демонстрации опыта Штерна;
компьютер и проектор для демонстрации презентации и видеофрагмента «Опыт Штерна».
Этапы урока.
Организационный этап (приветствие, проверка готовности к уроку, эмоционального настроя), (1 минута)
Этап постановки цели, задач урока и проблемы о способе измерения скорости молекул, (4 минуты)
Этап изучения нового учебного материала, показ слайдов презентации с комментариями учащихся, которая позволяет создать зрительное впечатление о теме, активизировать зрительную память (проверить уровень усвоения системы понятий по данной теме), (20минут)
Этап закрепления приобретенных знаний при решении задач (применение знаний на практике их вторичное осмысление), (8минут)
Этап обобщения и подведения итогов урока (дать анализ успешности овладения знаниями и способами деятельности), (4минуты)
Информация о домашнем задании (направлено на дальнейшее развитие знаний), (1минута)
Рефлексия, (2 минуты)
Сценарий урока.
Деятельность учителя физики
Деятельность ученика
Организационный этап.
Здравствуйте, ребята! Я рада приветствовать вас на уроке, на котором мы продолжим открывать страницы в познании классической теории газов. Впереди нас ждут интересные открытия. Поприветствуйте друг друга.
Тогда приступим…
Целеполагание и мотивация.
На прошлом уроке мы познакомились с основными положениями молекулярно – кинетической теории идеального газа. Участвуя в непрерывном хаотическом движении, молекулы постоянно сталкиваются друг с другом, при этом число сталкивающихся частиц их скорости в каждый момент времени различны.
Как вы думаете, какая тема урока «ожидает» нас сегодня?
Да, действительно, цель, которую мы ставим сегодня перед собой: познакомимся с одним из методов определения скорости движения молекул – методом молекулярных пучков, предложенным немецким физиком Отто Штерном в 1920 году.
Открыли тетради, записали число и тему сегодняшнего урока: Движение молекул. Опытное определение скоростей движения молекул.
Вспомним, чему равна скорость теплового движения молекул?
Рассчитаем скорость молекул серебра Аg при испарении с поверхности, T =1500К.
Напомню, скорость звука 330м/с, а скорость молекул серебра 588м/с, сравните.
Рассчитаем скорость молекул водорода Н 2 при температуре, близкой к абсолютному нулю T=28К.
Для примера: скорость пассажирского самолета – 900м/с, скорость движения Луны вокруг Земли – 1000м/с.
А теперь поставите себя на место ученых 19 века, когда были получены эти данные, возникли сомнения в правильности самой кинетической теории. Ведь известно, что запахи распространяются довольно медленно: нужно время порядка десятков секунд, чтобы запах духов, пролитых в одном углу комнаты, распространяются до другого угла.
Поэтому возникает вопрос: какова на самом деле скорость молекул?
Когда запах духов распространяется, мешает ли что-то молекулам духов?
Как это влияет на скорость направленного движения молекул?
Рассчитаем скорость молекул водорода Н 2 при температуре, близкой к комнатной T=293К.
Тогда, это скорость какая? Чего?
А как же её измерить, определить её значение на практике? Давайте решим следующую задачу:
Пусть имеется 1 молекула. Нужно определить скорость свободного пробега молекул. Как движутся молекулы между столкновениями?
Пусть молекула проходит 1 метр, время найдем при скорости водорода 1911м/с, получилось 0,00052с.
Как видно время очень маленькое.
Возникает опять проблема!
Этап изучения нового учебного материала.
Решить эту проблему в школьных условиях невозможно, за нас это сделал в 1920 г Отто Штерн (1888-1970), заменив поступательное движение на вращательное.
Посмотрим небольшой видеофрагмент и после обсудим некоторые вопросы.
Что представляла установка, которой пользовался О. Штерн?
Как был осуществлен опыт?
Значения скоростей получались близкими к скорости, вычисленной по формуле:
, 
,
где 
– линейная скорость точек поверхности цилиндра В.
, то
,
что находится в согласии с молекулярно – кинетической теорией. Скорость молекул совпадает с рассчитанной, полученной на основе МКТ, это являлось одним из подтверждением её справедливости.
Из опыта О. Штерна было найдено, что при температуре 120 0 С скорости большинства атомов серебра лежат в пределах от 500м/с до 625м/с. При изменении условий опыта, например температуры вещества, из которого сделана проволока, получаются иные значения скоростей, но характер распределения атомов в напыленном слое не меняется.
Почему в опыте Штерна полоска серебра смещена и размыта по краям, кроме того, неоднородна по толщине?
Какой вывод можно сделать о распределении атомов и молекул по скоростям?
Рассмотрим таблицу №12 учебника на стр. 98 для молекул азота. Что видно из таблицы?
Английский физик Д. К. Максвелл тоже считал невероятным, что все молекулы движутся с одной скоростью. По его мнению, при каждой заданной температуре большинство молекул обладает скоростями, лежащими в довольно узких пределах, но некоторые молекулы могут двигаться с большей или меньшей скоростью. Более того, считал ученый, в каждом объеме газа при той или иной температуре есть молекулы, обладающие как очень малыми, так и очень большими скоростями. Сталкиваясь между собой, одни молекулы увеличивают скорость, а другие уменьшают. Но если газ находится в стационарном состоянии, то число молекул, обладающих той или иной скоростью, остается постоянным. Исходя из такого представления, Д. Максвелл исследовал вопрос о распределении молекул по скоростям в газе, находящемся в стационарном состоянии.
Эту зависимость он установил задолго до опытов О. Штерна. Результаты работы Д. К. Максвелла получили всеобщее признание, но при этом не были подтверждены экспериментально. Это сделал О. Штерн.
Подумайте? Какова заслуга О. Штерна?
Рассмотрим рис. 64 на стр. 99 учебника и исследуем характер самого распределения молекул по скоростям.
Вид функции распределения молекул по скорости движения, которую Д. Максвелл определил теоретическим путем, качественно совпал с профилем налета атомов серебра на латунной пластинке в опыте О.Штерна.
Изучение профиля полоски серебра позволило ученому сделать вывод о существовании наиболее вероятной средней скорости движения частиц (т.е. скорости с которой движется наибольшее число молекул).
Куда смещается максимум кривой распределения при повышении температуры?
Кроме наиболее вероятной и средней скоростях, движение молекул характеризуется средним квадратом скорости:
, а
квадратный корень из этой величины – есть средняя квадратичная скорость.
Давайте еще раз посмотрим, как происходило познание при изучении вопроса о скоростях движения молекул?
Этап закрепления приобретенных знаний при решении задач.
Произведем математические расчеты и проверим теорию в конкретной ситуации.
Задача №1
Какой скоростью обладала молекула паров серебра, если её угловое смещение в опыте Штерна составляло 5,4º при частоте вращения прибора 150 сˉ¹? Расстояние между внутренним и внешним цилиндрами равно 2 см.
Этап обобщения и подведение итогов урока
Сегодня на уроке мы познакомились с одним из методов определения скорости движения молекул – методом молекулярных пучков, предложенным немецким физиком Отто Штерном.
Каково значение опыта О. Штерна в развитии представлений о строении вещества?
Информация о домашнем задании.
Рефлексия.
В ходе нашего урока вы показали себя наблюдательными теоретиками, способными не только подмечать вокруг себя все новое и интересное, но и самостоятельно проводить научное исследование.
Наш урок подошёл к концу.
Давайте ответим на вопрос: «Что вам понравилось на уроке?» и «Чем вам запомнился урок?»
А я в заключение, хочу процитировать слова Вирея:
«Все открытия в науках и в философии проистекают часто от обобщений или от приложений факта к другим подобным фактам»
Спасибо, ребята, за совместную работу. Я была рада встретиться с вами. До встречи!
Тема урока: Определение скорости движения молекул.
(обучающиеся записывают в тетради число и тему урока)
(ответы нескольких учеников)
, с другой стороны
, зная что 
, отсюда
, или 
, где
– универсальная газовая постоянная, 
8,31 
Скорость молекул серебра сверхзвуковая .
590м/с, такая же!!! Не может быть!
Какую скорость находить и измерять?
Мешают молекулы воздуха.
Она уменьшается.
Мы получили большую скорость, и ничего не мешает двигаться молекулам?
Скорость свободного пробега молекул.
Равномерно.
Как же его измерить?
(просмотр видео)
Установка состояла из: платиновой нить, покрытой тонким слоем серебра, которая располагалась вдоль оси внутри цилиндра радиусом 
и внешнего цилиндра 
. Из цилиндра насосом откачен воздух.
При пропускании электрического тока через проволоку она разогревалась до температуры, выше температуры плавления серебра 961,9 0 С. Стенки внешнего цилиндра охлаждались, чтобы молекулы серебра лучше оседали на пути экрана. Установку приводили во вращение с угловой скоростью 2500 – 2700 об/мин.
Полоска серебра при вращении прибора приобрела другой вид потому что, если бы все атомы, вылетающие из нити, имели одинаковую скорость, то изображение щели на экране не изменилось бы по форме и размеру, а лишь немного бы сместилось в сторону. Размытость же полоски из серебра говорит о том, что вылетающие из раскаленной нити атомы движутся с разными скоростями. Атомы, движущиеся быстро, смещаются меньше, чем атомы, движущиеся с меньшей скоростью.
Распределение атомов и молекул по скоростям представляет собой определенную закономерность, характеризующую их движение.
Из таблицы видно, что наибольшее число молекул азота имеют скорости от 300м/с до 500м/с.
91% молекул имеют скорости, включенных в интервал от 100м/с до 700м/с.
9% молекул имеют скорости, меньших 100м/с и больших 700м/с.
О. Штерн, воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. К. Максвеллом распределение молекул газа по скоростям. Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла.
По графику можно было определить смещение для середины изображения щели и, соответственно, вычислить среднюю скорость
движения атомов.
При Т 2
Т 1 максимум кривой распределения смещается в область больших значений скоростей.
Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская, Д. А. Исаев, учебник «Физика – 10», рабочая тетрадь к данному учебнику.
Физика: 3800 задач для школьников и поступающих ВУЗы. – М.: Дрофа, 2000г.
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 кл. – М.: Дрофа, 2010.
Л. А. Кирик “Самостоятельные и контрольные работы по физике”. 10 класс. М.:Илекса, Харьков: Гимназия, 1999.
Энциклопедия для детей. Техника. М.: Аванта+, 1999.
Энциклопедия для детей. Физика. Ч. I. М.: Аванта+, 1999.
Энциклопедия для детей. Физика. Ч. П. М.: Аванта+, 1999.
Физический эксперимент в школе./ Сост. Г. П. Мансветова, В. Ф. Гудкова. - М.: Просвещение, 1981.
Глазунов А. Т. Техника в курсе физики средней школы. М.: Просвещение, 1977.
Вначале была высказана гипотеза о том, что молекулы движутся с разными скоростями.
Эти скорости связаны с температурой и существует определенный закон распределения молекул по скоростям, что следовало из наблюдений, в частности, броуновского движения.
Опыт относится к числу фундаментальных физических экспериментов. В настоящее время атомно – молекулярное учение подтверждено многочисленными опытами и является общепризнанным.
Рефлексия учебных действий.
Сегодня я узнал…
Было интересно…
Было трудно…
Я понял, что…Я научился…
Меня удивило…
Используемая литература:
Электронные приложения:
Л. Я. Боревский «Курс физики XXI века», базовый + для школьников и абитуриентов. МедиаХауз. 2004 год.
Интерактивный курс физики для 7 – 11 классов. ООО «Физикон», 2004 год. Русская версия «Живая физика», Институт новых технологий
Физика, Х-ХI классы. Мультимедийный курс-М.: ООО «Руссобит Паблишинг».-2004 (http://www. russobit-m. ru/)
Открытая физика. В 2 ч. (CD) / Под ред. С.М. Козела. – М.: ООО «Физикон». - 2002 (http://www.physicon.ru/.)
В середине XIX века была сформулирована молекулярно-кинетическая теория, но тогда не было никаких доказательств существования самих молекул. Вся теория базировалась на предположении о движении молекул, но как измерить скорость их движения, если они невидимы?
Теоретики первыми нашли выход. Из уравнения молекулярно-кинетической теории газов известно, что
Получена формула для расчета среднеквадратичной скорости, но масса молекулы неизвестна. Запишем по-другому значение υ кв:
 |
(2.1.2) |
А мы знаем, что , тогда
| (2.1.3) |
Где Р – давление; ρ - плотность. Это уже измеряемые величины.
Например, при плотности азота, равной 1,25 кг/м, 3 , при t = 0 °С и P
= 1 атм, скорости молекул азота . Для водорода: 
.
При этом интересно отметить, что скорость звука в газе близка к скорости молекул в этом газе , где γ – коэффициент Пуассона. Это объясняется тем, что звуковые волны переносятся молекулами газа.
Проверка того факта, что атомы и молекулы идеальных газов в термически равновесном пучке имеют различные скорости, была осуществлена немецким физиком Отто Штерном (1888-1969) в 1920 г. Схема его установки приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1
Платиновая нить А
, покрытая снаружи серебром, располагается вдоль оси коаксиальных цилиндров S 1 , S 3
,. Внутри цилиндров поддерживается низкое давление порядка Па. При пропускании тока через платиновую нить она разогревается до температуры выше точки плавления серебра (961,9 °С). Серебро испаряется, и его атомы через узкие щели в цилиндре S 1
, и диафрагме S 2
, летят к охлаждаемой поверхности цилиндра S 1
, на которой они осаждаются. Если цилиндры S 1 , S 3
и диафрагма не вращаются, то пучок осаждается в виде узкой полоски D
на поверхности цилиндра S 3
. Если же вся система приводится во вращение с угловой скоростью 
то изображение щели смещается в точку D´
и становится расплывчатым.
Пусть l – расстояние между D и D´ , измеренное вдоль поверхности цилиндра S 3 , оно равно где – линейная скорость точек поверхности цилиндра S 3 , радиусом R ; - время прохождения атомами серебра расстояния . Таким образом, имеем откуда – можно определить величину скорости теплового движения атомов серебра. Температура нити в опытах Штерна равнялась 1200 °С, что соответствует среднеквадратичной скорости . В эксперименте для этой величины получилось значение от 560 до 640 м/с. Кроме того, изображение щели D´ всегда оказывалось размытым, что указывало на то, что атомы Ag движутся с различными скоростями.
Таким образом, в этом опыте были не только измерены скорости газовых молекул, но и показано, что они имеют большой разброс по скоростям. Причина – в хаотичности теплового движения молекул. Ещё в XIX веке Дж. Максвелл утверждал, что молекулы, беспорядочно сталкиваясь друг с другом, как-то «распределяются» по скоростям, причём вполне определённым образом.
В разделе на вопрос опыт Штерна? расскажите кратко самое главное заданный автором Просыпать
лучший ответ это Опыт Штерна - опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.
Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало «оседанию» попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щёли малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположенную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:
,
где s - смещение полосы, l - расстояние между цилиндрами, а u - скорость движения точек внешнего цилиндра.
Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону - закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее
Ключник
Профи
(641)
выбирать надо, а ты что хотел?
Статья про слово "Штерна опыт " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 5743 раз