Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование

Капля чернил падает в спокойную воду. Воду никто не мешает, а цвет всё равно расползается. Значит, внутри воды что-то происходит и без нашей помощи.

На этом уроке разбираем только три положения молекулярно-кинетической теории и то, какой опыт что реально показывает. Уравнение идеального газа, массу молекулы, моль и формулу температуры здесь не пишем: это следующие занятия.

Кружки — модель, не снимок молекул. По ней нельзя снять размер частицы.

Три положения

Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства вещества движением и взаимодействием частиц. В её основе три утверждения.

1. Вещество состоит из частиц — молекул, атомов или ионов. Между частицами есть промежутки.
2. Частицы всё время движутся беспорядочно. Это тепловое движение не выключается у «спокойного» тела.
3. Частицы и притягиваются, и отталкиваются. Какая сила побеждает, зависит от расстояния.

Дальше каждое положение проверяем отдельно: что увидели и какой вывод из этого ещё нельзя делать.

Промежутки

На уроке учитель сжимает поршнем без иглы сначала воздух, потом воду. Перед водой воздух из поршня выгоняют: оставшийся пузырёк сжимается сам и портит сравнение. Воздух сжимается заметно. Вода без пузырька почти не поддаётся. Дома поршень и шприц не нужны.

Наблюдение здесь одно: объём газа меняется сильно, объём воды — едва. Модель к нему такая: в газе частицы в среднем далеко друг от друга, поэтому их можно сдвинуть ближе. В жидкости они уже рядом.

Это не измерение диаметра молекулы и не доказательство, что в воде «дырок нет». Промежутки в жидкости есть, но маленькие. Когда частицы сближают ещё сильнее, отталкивание резко растёт — об этом третье положение.

Движение: диффузия

Диффузия — это взаимное проникновение веществ из-за движения частиц. На уроке учитель в самом начале кладёт на дно постоявшей воды маленький кристаллик или каплю, не ударяя струёй. Воду не мешают. К концу урока смотрят снова.

Это постановка, не фотография. Полосы на весь стакан здесь не нарисованы специально.

Честный предел: у красителя в воде за урок виден ореол порядка миллиметров, не сантиметров. Миллиметры согласуются с движением частиц. Сантиметровый фронт — струя тяжёлой капли или ток воды, не диффузия. Его записывают словом «струя». Если за урок пятно почти не изменилось, по этому стакану движение не закрывают.

И это не скорость молекулы. Фронт краски — не путь одной частицы. Писать $v = s/t$ по следу цвета нельзя.

Ложка, пакетик чая, сквозняк и горячее дно тоже перемешивают воду. Это другое явление, поэтому их в опыт не берут.

Движение: броуновская крупинка

В 1827 году Роберт Броун увидел в микроскоп, что мелкие крупинки в воде движутся рывками и не останавливаются. Так ведут себя не только живые пылинки. Крупинка видима. Молекулы воды — нет.

Модель причины: удары молекул по крупинке не уравновешены. С одной стороны за короткий миг приходит чуть больше ударов, чем с другой, и видимая крупинка смещается. В следующий миг перевес уже в другую сторону. Отсюда ломаный путь.

Крупный круг — видимая крупинка. Мелкие кружки — модель молекул, не их фотография.

Механическая модель из кабинета делает ту же мысль крупно. В прозрачном сосуде много мелких шариков и одна заметная бусина. Пока сосуд неподвижен, бусина почти стоит. Когда сосуд слегка встряхивают, бусина блуждает: удары с разных сторон не совпадают.

Это аналогия. Она не доказывает, что молекулы существуют. Она показывает, как невидимые толчки могут двигать видимое тело. В программе этот опыт так и назван: механическая модель броуновского движения.

Крупинка — не молекула

Броуновская крупинка намного крупнее молекул воды. Мы видим её, а не молекулу. Зигзаг — следствие многих ударов, а не «портрет» одной молекулы.

Рисунок из шариков устроен так же: он помогает думать, но сам по себе ничего не измеряет. Снимок с электронного или туннельного микроскопа — тоже не бытовая фотография. Это изображение, собранное прибором. На уроке мы на него не опираемся как на доказательство.

Притяжение и отталкивание сразу

Твёрдое тело само не рассыпается в пыль: частицы удерживает притяжение. Сжать жидкость или твёрдое тело трудно: на малых расстояниях побеждает отталкивание. Обе силы есть одновременно. Не бывает так, что частицы «только притягиваются» или «только отталкиваются».

Качественно это зависит от расстояния $r$ по сравнению с равновесным $r_0$. Число $r_0$ сегодня не вычисляем.

Шкала без чисел. Это не график измерения и не потенциальная яма с формулой.

• Если $r < r_0$, сильнее отталкивание: частицы сопротивляются сжатию.
• Если $r \approx r_0$, силы примерно уравновешены.
• Если $r > r_0$, но частицы ещё близко, сильнее притяжение.
• Если частицы очень далеко, обе силы слабые. Как устроен газ в этой модели, разбирают на следующем уроке.

Частицы твёрдого тела не лежат мёртвым грузом. Они колеблются около положений, где силы уравновешены. Как устроена решётка — разберём позже, не сегодня.

Опыт со свинцовыми цилиндрами, если он есть в кабинете, делает только учитель: свежие чистые торцы прижимают, и цилиндры могут держаться друг за друга. Это довод в пользу притяжения. Свинец ученикам не раздают: он токсичен, после опыта учитель моет руки. Нет набора — опыт пропускают. Форму тела и трудное сжатие воды уже дают третье положение.

Что записать в тетради

Для каждого опыта четыре клетки: что сделали, что увидели, какое положение это поддерживает, чего опыт не доказывает.

Пример. Сделали: кристаллик на дне спокойной воды с начала урока, его кладёт учитель. Увидели в конце: ореол на миллиметры, молекул не видно. Положение: частицы движутся. Не доказывает: ни размер молекулы, ни её скорость. Если цвет ушёл на сантиметры, пишут «струя», а не «измерили диффузию».

Частые ошибки

Проверь себя

Сначала запиши ответы. Разбор ниже закрыт, пока сам не попробуешь.

1. Сформулируй три положения так, чтобы в каждом было действие частиц, а не только слово «вещество».
2. Почему броуновская крупинка — не молекула? Что именно в этом опыте наблюдают?
3. В стакане с чернилами что является наблюдением, а что моделью?
4. Тело не рассыпается и почти не сжимается. Какая сила за что отвечает?
5. Исправь фразу: «Воду не мешали, значит частицы остановились и чернила останутся на месте».

Показать ответ после выполнения

Короткий итог

• Вещество состоит из частиц, между ними есть промежутки.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся: на это указывают диффузия и броуновское движение.
• Броуновская крупинка — не молекула, а видимое тело под неравными ударами.
• Частицы и притягиваются, и отталкиваются; что побеждает, зависит от расстояния.
• Рисунок шариков и механическая модель — не фотография и не измерение размера молекулы.