ТЕМА № 16
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Введение
Цель – усвоить демонстрации по иллюстрации основных положений МКТ; уметь варьировать опыты; овладеть приемами работы с основным демонстрационным оборудованием.
Научиться определять принадлежность демонстраций к конкретной школьной теме 7-9 классов и 10-11 классов, используя нормативные документы (федеральный компонент государственного образовательного стандарта общего образования), рекомендованные учебники физики для образовательных учреждений, программы по физике.
Прежде чем приступить к освоению демонстрационного эксперимента по вышеуказанной теме, ознакомьтесь по школьному учебнику с темами: «Основы МКТ» и «Свойства газов, жидкостей и твердых тел». Уясните такие понятия и законы, как тепловое равновесие, температура, абсолютный нуль температуры, универсальная газовая постоянная, насыщенный пар, точка росы, газовые законы, поверхностное натяжение, сила поверхностного натяжения.
Для проведения опытов используйте следующие демонстрационные приборы (найдите их на демонстрационном столе):
– Цилиндры свинцовые со стругом – два одинаковых цилиндра и приспособление для их зачистки.
– Пористый цилиндр для демонстрации диффузии газов через пористую перегородку. Цилиндр закреплен на цоколе, который через резиновую трубку может быть соединен с открытым манометром (водяным или спиртовым). Прибор необходимо оберегать от пыли (хранить в футляре) и не брать руками за пористый цилиндр (только за цоколь).
– Прибор для изучения газовых законов состоит из металлического гофрированного цилиндра (сильфона), который можно растягивать при помощи винта. Объем газа в цилиндре измеряют в условных единицах по шкале, имеющей 10 делений (начальный объем газа – 5 единиц, конечный – 10).
При помощи резинового шланга цилиндр подключают к техническому манометру. Некоторые опыты могут быть проведены с помощью подручных средств – пластины из тонкого стекла, подвешенной на четырех нитях, динамометра пружинного из школьного набора для лабораторных работ, насыщенного раствора медного купороса, раствора фенолфталеина, стеклянного цилиндра (мензурки), ваты, нашатырного спирта, бумажных полосок, стеклянной трубки с воронкой, кристаллизатора, каркасов различной формы и объемов, талька, мыла.
Выполнение практических заданий
Задание 1. Продемонстрируйте диффузию аммиака в воздухе.
Оборудование: мензурка, полоска фильтровальной бумаги, раствор фенолфталеина, стеклянная пластина, вата, раствор аммиака (нашатырный спирт).
Смочите узкую длинную полоску фильтровальной бумаги раствором фенолфталеина и опустите ее в мензурку. Закройте цилиндр стеклянной пластиной с прикрепленным к ней куском ваты, предварительно смоченной нашатырным спиртом. Наблюдайте за изменением окраски полоски. Объясните наблюдаемое явление.
Задание 2. Продемонстрируйте диффузию газов через пористую перегородку.
Оборудование: пористый цилиндр с открытым демонстрационным манометром, штатив, цинк, соляная кислота (или раствор серной кислоты), химический стакан, резиновый шланг, пробка.
!!! Осторожно, соблюдайте технику безопасности при работе с кислотами!!!
Соедините пористый цилиндр с открытым демонстрационным манометром, заполненным подкрашенной водой. Укрепите цилиндр в штативе и накройте большим химическим стаканом.
Для получения водорода в пробирку опустите гранулы цинка (4 шт.) и залейте 2 мл соляной кислоты.
!!! Для ускорения химической реакции можно добавить катализатор ( с помощью стеклянной палочки на дно засыпать порошок медного купороса).
Закройте пробирку резиновой пробкой с встроенным в нее шлангом, конец которого введите в зазор между стенками цилиндра и стакана. Наблюдайте по манометру за изменением давления в пористом цилиндре. Объясните явление.
Перекройте поступление водорода. Наблюдайте выравнивание давления внутри цилиндра и стакана. Снимите стакан с цилиндра. Объясните причину понижения давления в цилиндре.
Задание 3. Продемонстрируйте диффузию жидкостей.
Оборудование: измерительный цилиндр, раствор медного купороса, дистиллированная вода, кружок из пробки, стеклянная трубка с воронкой.
Подготовьте цилиндр с насыщенным раствором медного купороса внизу и дистиллированной водой сверху. Для этого налейте в цилиндр раствор медного купороса, опустите на него тонкий кружок из пробки диаметром, немного меньшим диаметра цилиндра, и на этот кружок очень медленно!!! лейте воду через воронку со стеклянной трубкой, удерживая кружок трубкой на уровне раздела двух жидкостей. Затем, медленно вынимая воронку с трубкой, дайте пробке медленно всплыть. Когда кружок всплывет, то под ним останется резкая граница между жидкостями. Поставив мензурку в помещение с постоянной температурой, сравните, в каком веществе быстрее произойдет диффузия? Объясните, почему?
Задание 4. Покажите явление межмолекулярного взаимодействия.
Оборудование: свинцовые цилиндры, набор гирь, стеклянная пластина, пружина, кристаллизатор с водой.
1. Хорошо очищенные с торца свинцовые цилиндры сильно прижмите руками друг к другу и слегка поверните вокруг продольной оси. Сцепленные цилиндры подвесьте за крючок на штатив, подставив под них ящик с песком. На свободный крючок, увеличивая постепенно нагрузку, повесьте гири. Обычно сцепленные цилиндры выдерживают нагрузку до 50 Н. Успех демонстрации зависит от правильной подготовки цилиндров: их торцы должны быть хорошо зачищены.
2. Стеклянную пластинку подвесьте на чувствительной пружине или на тонком резиновом шнуре к штативу так, чтобы ее плоскость располагалась горизонтально. Снизу к пластинке поднесите кристаллизатор с водой так, чтобы вся ее нижняя поверхность касалась воды. Медленно опускайте сосуд с водой вниз и наблюдайте, при каком натяжении шнура (пружины) пластинка отрывается от воды. Хорошо высушите пластинку и повторите опыт, поднося к пластинке другую жидкость (керосин, масло). По данным опыта оцените, какая жидкость обладает большей силой поверхностного натяжения?
Задание 5. Научитесь пользоваться прибором для изучения газовых законов.
Оборудование: прибор для изучения газовых законов, манометр лабораторный, резиновые трубки.
Ознакомьтесь с устройством прибора для изучения газовых законов и подготовьте его к демонстрации.
Соедините сильфон с манометром лабораторным, откройте у манометра оба крана; растяните сильфон так, чтобы во время опыта можно увеличить и уменьшить объем воздуха в нем; закройте свободный кран манометра.
!!!Внимание! Работайте в пределах от 5 ед. до 10 ед.
Задание 6. Проиллюстрируйте закон Бойля–Мариотта.
Оборудование: прибор для изучения газовых законов, манометр лабораторный, трубки резиновые.
Проиллюстрируйте качественно зависимость давления некоторой массы газа от объема при постоянной температуре.
Покажите, что с увеличением объема давление газа уменьшается, если температура и масса газа не изменяется.
Запишите показания манометра при 7, 8, 9, 10 условных единицах объема. Рассчитайте (дома) по полученным данным произведение PV и постройте график P=f(V).
Подумайте, как убедить учащихся в том, что во время опыта температура газа не меняется?
Задание 7. Проиллюстрируйте закон Гей–Люссака.
Оборудование: прибор для изучения газовых законов, жидкостный термометр, сосуд с горячей водой.
Проиллюстрируйте качественно зависимость объема данной массы газа от температуры при постоянном давлении; при начальных параметрах P1=1 атм.; t1 – комнатная температура. Для этого установите начальный объем газа в сильфоне 5усл.ед. и поместите сильфон в сосуд с горячей водой. Как при этом изменились показания манометра? Каким способом можно изменить объем газа в сильфоне, чтобы сохранить прежнее давление в 1 атм.? Температуру окружающего сильфон воздуха и воды измеряйте жидкостным термометром.
Задание 8. Проиллюстрируйте явление поверхностного натяжения жидкостей.
Оборудование: проволочные каркасы, химический стакан или кювета с мыльным раствором, штатив с принадлежностями.
Изучение явления поверхностного натяжения проводится на опытах с мыльными пленками на каркасах. Для этого подвесьте на штативе «качели», т.е. две прямые проволоки, связанные между собой тонким нитями. Затем поднесите снизу плоскопараллельную кювету или химический стакан с мыльным раствором, чтобы весь каркас погрузился в раствор. Медленно опустите вниз кювету и получите между проволоками и нитями сплошную мыльную пленку. Если слегка потянуть за нижнюю нить, то пленка растянется, и каркас примет вид правильного прямоугольника. Получите пленки на каркасах других форм.
Задание 9. Измерьте силу поверхностного натяжения.
Оборудование: весы лабораторные с принадлежностями, проволочное кольцо, кристаллизатор с водой.
Уравновесьте весы с подвешенным под одной чашей проволочным кольцом. Приведите кольцо в соприкосновение с водой. Определите силу, необходимую для отрыва кольца от воды. Для этого, на вторую чашу весов поочередно помещайте разновесы и отмечайте момент отрыва кольца от воды. Или на вторую чашу весов постепенно ссыпьте песок, наблюдая отрыв кольца от поверхности воды. Затем это количество песка взвесьте, определяя, какая сила должна быть приложена для отрыва кольца от поверхности воды.
Задание 10. Покажите изменение поверхностного натяжения воды.
Оборудование: кристаллизатор с водой, лучинка или спичка, указка деревянная с наконечником из мыла, ликоподий или тальк.
В чистый кристаллизатор налейте воду и на ее поверхность опустите легкую спичку. Коснитесь поверхности воды указкой с мыльным наконечником. Смените воду в кристаллизаторе. Опустите легкую спичку, насыпьте на поверхность немного ликоподия (или пудры). Пронаблюдайте за перемещением спички в обоих случаях, сравните и объясните полученный результат.
Контрольные вопросы и задания
1. Как убедить учащихся, что в опыте №1 происходит именно диффузия, а не опускание паров под действием силы тяжести?
2. В чем трудность демонстрации диффузии газов?
3. Каковы трудности при демонстрации диффузии жидкостей?
4. Как дать представление о ходе диффузии со временем?
5. (Экспериментальная задача). Зная, что сила взаимодействия между двумя молекулами составляет 5·10–11Н, рассчитайте, какой наибольший груз должны выдерживать свинцовые цилиндры, если взаимодействие происходит по всей площади соприкосновения (взаимодействие только в пределах одного слоя – силы короткодействующие). Объясните расхождение между полученным результатом и экспериментом.
6. Какими примерами можно проиллюстрировать наличие сил отталкивания между молекулами?
7. Почему наблюдается быстрое «разбегание» частичек порошка от центра к краям кристаллизатора?
8. Какие положения МКТ можно проанализировать, изучая явление диффузии?
9. Почему изменяются показания манометра при соприкосновении пористого цилиндра с водородом?
10. Каков механизм возникновения сил поверхностного натяжения?
11. Что такое коэффициент поверхностного натяжения, какими способами он может быть измерен?
12. Объясните на элементарном уровне причины возникновения сил взаимодействия между атомами и молекулами.
13. Как можно доказать справедливость газовых законов, используя сильфон, а также при его отсутствии?