Физические явления, физика, статьи по физике.

Движение частиц вещества не может быть обнаружено каким-либо прямым наблюдением: это явление нельзя увидеть ни в лупу, ни в микроскоп. Поэтому ниже описанные опыты не являются доказательствами правильности второго положения МКТ. Они лишь наполняют его конкретным смыслом, то есть служат иллюстрациями.

Броуновское движение. Однажды в 1827 г. английский ученый Р.Броун, изучая растения при помощи микроскопа, обнаружил очень необычное явление. Плавающие на воде споры (мелкие семена некоторых растений) при наблюдении за ними в микроскоп скачкообразно двигались без видимых на то причин (см. рисунок). Броун наблюдал это движение несколько дней, однако так и не смог дождаться его прекращения. Он его подробно описал, но объяснить так и не смог. Впоследствии это явление назвали броуновским движением.

Объяснить это явление невозможно, если только не предположить, что молекулы воды находятся в постоянном, никогда не прекращающемся движении. Они беспорядочно сталкиваются друг с другом, с другими молекулами. Наталкиваясь на споры, молекулы вызывают их скачкообразные перемещения, что Броун и наблюдал в микроскоп. А поскольку молекулы в микроскоп не видны, то движение спор казалось Броуну беспричинным.

На этом рисунке изображена модель броуновского движения. Множеством мелких шариков обозначены молекулы воды, а большим шаром – спора. Количество ударов молекул о спору слева и справа, сверху и снизу, спереди и сзади не всегда одинаково. Под действием “перевеса” ударов с какой-нибудь одной стороны спора будет перескакивать с места на место.

Самостоятельное движение частиц вещества служит объяснением и еще одного физического явления. Рассмотрим его на опыте.

Диффузия. В высокий сосуд с водой бросим несколько крупинок краски. Они опустятся на дно сосуда, и вокруг них вскоре образуется фиолетовое облачко окрашенной воды. Оставим сосуд в покое на несколько недель. Наблюдая за ним все это время, мы обнаружим постепенное распространение окраски по всей высоте сосуда. Говорят, что происходит диффузия краски в воду.

Диффузия объясняется просто. Частицы веществ, беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки друг между другом, что и означает смешивание веществ. Наиболее быстро диффузия происходит в газах. Медленнее – в жидкостях, а в твердых телах – совсем медленно: годами. Известен, например, следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца пролежали друг на друге около 5 лет. За это время золото и свинец продиффундировали (проникли) друг в друга на глубину около 1 мм.

Скорость движения частиц и температура. При проведении опыта с водой и краской замечено, что в теплой комнате диффузия протекает значительно быстрее. Например, на солнечном подоконнике диффузия завершается примерно на неделю раньше.

Вспомним, что причина диффузии – это самостоятельное движение частиц вещества. Поэтому ускорение диффузии можно объяснить тем, что повышение температуры тела приводит к увеличению скорости движения его частиц. Кстати, броуновское движение при этом также ускоряется.

Итак, при любой температуре наблюдается самостоятельное движение частиц всех веществ – твердых, жидких и газообразных. Поскольку частицы движутся, они обладают кинетической энергией (см § 6-д). Эта энергия тем больше, чем выше температура тела

No Comments »

До сегодняшнего дня мы изучали физику так называемых макроскопических тел (греч. “макрос” – большой). Это все тела, которые нас окружают: дома, машины, вода в стакане, вода в океане и т.д. Нас интересовало, что происходит с этими телами и вокруг них. Теперь нас будет интересовать также и то, что происходит внутри тел. На этот вопрос нам поможет ответить раздел физики, который называется МКТ.

МКТ – молекулярно-кинетическая теория. Она объясняет физические явления и свойства тел с точки зрения их внутреннего микроскопического строения. В основе этой теории лежат три утверждения:

• Все тела состоят из малых частиц, между которыми есть промежутки.
• Частицы тел постоянно и беспорядочно движутся.
• Частицы тел взаимодействуют друг с другом: притягиваются и отталкиваются.
Эти утверждения называются основными положениями МКТ. Все они подтверждены многочисленными экспериментами.

При макроскопическом подходе нас интересуют сами тела: их размеры, объем, масса, энергия и так далее. Взгляните на рисунок слева. Например, макроскопически изучая водяные брызги, мы будем измерять их размеры, объем, массу.

При микроскопическом же подходе нас тоже интересуют размеры, объем, масса и энергия. Однако уже не самих тел, а тех частиц, из которых они состоят: молекул, ионов и атомов. Именно это и символизирует верхний рисунок. Но не следует думать, что молекулы, ионы и атомы можно увидеть в лупу. Этот рисунок – всего лишь художественная гипербола. Увидеть эти частицы можно лишь при помощи особых, так называемых электронных, микроскопов.

МКТ не всегда была научной теорией. Зародившись еще до Нашей эры, молекулярная (или, как ее называли прежде, – атомическая) теория оставалась лишь удобной гипотезой больше двух тысяч лет! И только в XX веке она превращается в полноправную физическую теорию. Вот как говорит об этом знаменитый физик Э.Резерфорд:

“Ни один физик или химик не может закрыть глаза перед той огромной ролью, какую в настоящее время играет в науке атомическая гипотеза. … К концу XIX столетия ее идеи пропитали очень большую область физики и химии. Представление об атомах делалось все более и более конкретным. … Простота и польза атомических воззрений при объяснении самых различных явлений физики и химии, естественно, подняли авторитет этой теории в глазах научных работников. Появилась тенденция рассматривать атомическую гипотезу уже не как полезную рабочую гипотезу, для которой очень трудно найти непосредственные и убедительные доказательства, а как один из твердо обоснованных фактов природы.

Но также не было и недостатка в ученых и философах, которые указывали на необоснованность этой теории, на которой, однако, было построено так много. Можно согласиться с полезностью идеи о молекулах для объяснения данных опытов, но какая у нас уверенность в том, что атомы действительно существуют, а не представляют только фикцию, плод нашей фантазии? Нужно, впрочем сказать, что этот недостаток непосредственных доказательств отнюдь не поколебал веру громадного большинства людей науки в зернистое строение материи.

Отрицание атомической теории никогда еще не способствовало и не будет способствовать открытию новых фактов. Большим преимуществом атомической теории является то, что она дает нам, так сказать, ощутимое конкретное представление о материи, которое не только служит нам для объяснения множества явлений, но оказывает также нам громадные услуги как рабочая гипотеза”

No Comments »

Допустим, на столе стоит баночка с неизвестным прозрачным веществом. Как узнать, что в ней находится: жидкость или твердое тело, например, гель для волос? Очень просто: надо взять баночку в руки и наклонить. Если вещество начнет течь, значит, это жидкость.

Итак, отличительным признаком жидкости является текучесть – способность изменять форму за малое время под действием даже малой силы. Благодаря этому свойству все жидкости льются в виде струй, разбрызгиваются каплями, принимают форму того сосуда, в который их нальют.

Способность изменять форму у разных жидкостей выражена по-разному. Взгляните еще раз на рисунок. Под действием одной и той же силы (силы тяжести) меду требуется больше времени, чтобы изменить свою форму, чем воде. Говорят, что эти вещества обладают неодинаковой вязкостью: у меда она больше, чем у воды.

Однако, изменяя форму, жидкость не изменяет своего объема. Взгляните на рисунок. Вода, находившаяся в мензурке, имела форму цилиндра и объем 300 мл. После переливания в чашу жидкость приняла конусообразную форму, но сохранила прежний объем: 300 мл. Свойство жидкости сохранять объем иначе называют упругостью жидкости.

Еще одним общим свойством всех жидкостей является их способность передавать во все стороны оказываемое на них давление (закон Паскаля). Менее вязкие жидкости делают это быстро, а вязкие – долго. Давление, оказанное на спирт или воду, быстро распространится даже на большое расстояние. А давление, оказанное на густое масло или мед, будет распространяться гораздо медленнее.

Строение жидкостей. В молекулярно-кинетической теории считается, что в жидкостях, как и в аморфных телах, нет строгого порядка в расположении частиц; в разных частях тела они расположены неодинаково плотно. Поэтому межмолекулярные промежутки имеют различные размеры, в том числе и такие, что туда может поместиться еще одна молекула. Это позволяет частицам перескакивать в близлежащие “дырки”. Такие перескоки частиц в жидкостях происходят очень часто: несколько миллиардов раз в секунду.

В случае, если на жидкость подействует какая-нибудь внешняя сила, например, сила тяжести, перескоки частиц будут происходить, в основном, в направлении ее действия (то есть вниз). Это приведет к тому, что жидкость примет форму вытягивающейся капли или льющейся струи. Следовательно, текучесть жидкостей объясняется частыми перескоками их частиц из одного устойчивого положения в другое.

В вязких жидкостях, например, меде, перескоки частиц из одного устойчивого положения в другое происходят значительно реже, чем, например, в воде или спирте. Поэтому под действием внешней силы вязкая жидкость будет медленнее изменять свою форму; на это ей на потребуется больше времени. Однако частые ли, редкие ли – любые – перескоки частиц также обуславливают передачу жидкостями давления во всех направлениях (закон Паскаля).

Перескоки частиц жидкостей происходят часто, однако примерно в 100 раз чаще частицы совершают колебания в месте своего последнего перескока. В это время они непрерывно соударяются друг с другом, поэтому даже малое сжатие жидкости приводит к резкому “ожесточению” соударений частиц. Это означает резкое повышение давления жидкости на стенки сосуда, в котором ее сжимают. Другими словами, жидкость будет оказывать сильное сопротивление сжатию. Этим и объясняется упругость жидкости.

No Comments »

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.

Взгляните на рисунок. Шариками мы схематично изобразили молекулы воды. Для простоты мы разместили их на равных расстояниях друг от друга, хотя, согласно второму положению МКТ, молекулы постоянно и беспорядочно движутся. Если бы все молекулы находилась на равных расстояниях друг от друга (как, например, “синяя” молекула), то силы их притяжения взаимно уравновешивались бы. Но молекулы беспорядочно движутся, из-за чего расстояния до ближайших соседок постоянно изменяются (см. “красную” молекулу). Следовательно, и силы их притяжения неодинаковы, то есть не уравновешивают друг друга. Существование неуравновешенных сил и есть причина возникновения потенциальной энергии молекул и других частиц вещества.

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”.

Взгляните на рисунок. На нем мы условно изобразили частицы резины изгибаемого ластика. Вы видите, что около верхней грани ластика частицы резины сближаются друг с другом. Это приводит к возникновению между ними сил отталкивания. Вблизи нижней грани ластика частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения. В результате их действия ластик стремится выпрямиться, то есть вернуться в недеформированное состояние. Другими словами, в ластике возникает сила упругости, направленная противоположно силе, вызвавшей деформацию

No Comments »