Fizyka:Gimnazjum/Właściwości i budowa materii

Edytuj
Komentarze              Archiwum wersji (wszystkie edycje)

Skopiowano ze stron roboczych projektu Wolne Podręczniki

Spis treści

Wstęp

Spojrzenie wokół nas pozwala nam zauważyć, że otaczające nas ciała wykazują ogromną różnorodność właściwości. W tym rozdziale dowiemy się, skąd się bierze ta różnorodność, i skąd się biorą własności materii.

Mikroskopowa budowa materii

Z czego się składa materia?

Doświadczenie 1

Potrzebne nam będą dwie menzurki o pojemności 100 cm³ każda. Do jednej z nich nalewamy 50 cm³ wody, a do drugiej tyle samo denaturatu. Następnie przelewamy denaturat do wody i mieszamy. Co obserwujemy? Czy objętość roztworu jest równa sumie objętości składników?

Rysunek. Dwie menzurki

Okazuje się, że całkowita objętość jest mniejsza niż 100 cm³, których się spodziewaliśmy.

Doświadczenie 2

Do jednej menzurki wsypmy ok. 200 g kaszy (np. gryczanej), a do drugiej ok. 200 g grochu. Zapiszmy objętości kaszy i grochu. Następnie zmieszajmy w jednej menzurce kaszę z grochem i energicznie potrząśnijmy. Jaką objętość ma powstała mieszanina?

Rysunek. Dwie menzurki

Okazuje się, że mieszanina zajmuje mniejszą objętość, niż dodane składniki. Przyczyną są różne rozmiary ziarenek składników.

Doświadczenie 2 pełni rolę pomocniczą; wskazuje nam, że gdyby ciecze były zbudowane z drobnych elementów, to potrafilibyśmy wytłumaczyć wynik doświadczenia mieszania wody z denaturatem. Hipotetyczne składniki cieczy będziemy nazywać cząsteczkami; cząsteczki różnych substancji mają różne rozmiary i kształty. Nie można ich oczywiście zobaczyć nawet pod mikroskopem, ale zbudowaliśmy pewne wyobrażenie o nich. Takie wyobrażenie fizycy nazywają modelem. Co jeszcze możemy powiedzieć o tych cząsteczkach? Wykonajmy kilka dalszych doświadczeń.

Doświadczenie 3

W odległym kącie pokoju nakapmy na podłogę trochę perfum; po jakimś czasie nie zbliżając się możemy wyczuć ich zapach.

Doświadczenie 4

Do szklanki włóżmy torebkę z herbatą i zalejmy ją wrzącą wodą. Czy musimy mieszać, by po kilku minutach płyn uzyskał jednolitą barwę?

Zdjęcie? Rysunek?

Obserwowane w obu doświadczeniach zjawisko nosi nazwę dyfuzji i polega na samorzutnym mieszaniu się ze sobą różnych substancji - gazów i cieczy (w bardzo niewielkim stopniu dotyczy to również ciał stałych). Warunkiem jego wystąpienia jest nie tylko istnienie cząsteczek, ale także ich nieustający ruch!

Wnioski: materia składa się z bardzo małych elementów – cząsteczek, niewidocznych nawet pod mikroskopem optycznym. Cząsteczki te są w ciągłym ruchu.

Dodatek historyczny

Robert Brown (1773-1858), botanik brytyjski.

Robert Brown (1773-1858), botanik brytyjski, badał między innymi rozmnażanie roślin. Pewnego razu w roku 1827, gdy obserwował pod mikroskopem pyłki pewnej rośliny, zauważył, że maleńkie ciałka, zawieszone w płynie wypełniającym ziarna pyłku, poruszały się w sposób nieuporządkowany. Brown powtórzył swoje obserwacje z innymi drobnymi ciałami, i żeby rozstrzygnąć, czy ten ruch nie jest przypadkiem przejawem życia, także z pyłem skał magmowych (granitu lub bazaltu), które są całkowicie nieorganiczne. Stwierdził, że wszystkie drobne ciała zawieszone w wodzie wykonują podobne chaotyczne ruchy. Nie był on pierwszym, który zauważył to zjawisko, ale pierwszy podkreślił jego powszechne występowanie i wykluczył życie jako przyczynę. Dzięki niemu zagadnienie to zostało przeniesione z biologii do fizyki. Nosi ono obecnie nazwę ruchów Browna.


Rysunek przedstawia drogę, którą przebyły trzy znajdujące się w wodzie niewielkie cząsteczki. Ich kolejne położenia, notowane co 30 sekund, połączone zostały odcinkami.

Wyjaśnienie i ścisły matematyczny opis ruchów Browna powstały na poczatku XX wieku w wyniku niezależnej pracy Alberta Einsteina (1879-1955)i najwybitniejszego polskiego fizyka Mariana Smoluchowskiego (1872-1917). Potwierdzenie doświadczalne dały systematyczne badania Jeana Baptiste'a Perrina (1870-1942). Było to bardzo ważne, gdyż dostarczyło przekonującego świadectwa cząsteczkowej budowy materii. Innymi słowy, pokazało, że atomy i cząsteczki są rzeczywistymi obiektami fizycznymi.


Doświadczenie 5

Przygotuj preparat mikroskopowy z rozrzedzonego mleka. Niewielką ilość tłustego mleka ( nie może mieć oznaczenia UHT!) rozcieńcz wodą w proporcji 1:10. Następnie umieść kroplę płynu na szkiełku podstawowym, nakryj szkiełkiem przykrywkowym i oglądaj pod mikroskopem w powiększeniu 400-800 razy. Odpowiedz teraz na następujące pytania:

  1. Co widzisz patrząc w okular mikroskopu?
  2. Czym są ruchome kuleczki?
  3. Czy wszystkie poruszają się tak samo szybko? A czy widzisz w ich ruchu jakąś prawidłowość?

Może rysunek

W polu widzenia możemy zaobserwować większe i mniejsze kuleczki, które się poruszają chaotycznie, to znaczy bez ustalonego kierunku. Nie są to rzecz jasna cząsteczki wody - to kropelki tłuszczu zawieszone w wodzie. Są one wiele tysięcy razy większe od cząsteczek wody! Przy uważnej obserwacji dostrzeżemy, że większe poruszają się wolniej, a mniejsze - szybciej. Ten ruch jest spowodowany zderzeniami kropelek z bardzo wielką liczbą niewidocznych pod mikroskopem cząsteczek wody i jest niebezposrednim dowodem istnienia czasteczek i ich nieustannego ruchu.

Pytania

  1. W jaki sposób dowiadujesz się o cząsteczkach ulatujących z gorącej pieczeni po otwarciu drzwiczek piekarnika?
  2. W temperaturze pokojowej cząsteczki gazów poruszają się z prędkością porównywalną do prędkości dźwięku, czyli w powietrzu ok. 300 m/s (ok. 1080 km/h). Jeżeli tak jest, to dlaczego siadając do jedzenia zapach potrawy czujemy dopiero po kilku sekundach?

Siły międzycząsteczkowe

Skoro już wiemy, że substancje składają się z bardzo małych cząsteczek w ciągłym ruchu, zastanówmy się, co sprawia, że trzymają się one "razem" i że stół, przy którym siedzimy, sprawia całkiem solidne wrażenie. Wnioskujemy, że muszą działać między nimi jakieś siły. Siły działające między cząsteczkami tego samego ciała nazywamy siłami spójności, a na granicy dwóch różnych ciał - siłami przylegania. Najciekawsze zjawiska występują na granicy dwóch substancji.

Doświadczenie 6

Nalejmy do szklanki do pełna wody, a następnie ostrożnie, po jednej, wpuszczajmy do niej szpilki. Ile szpilek można dołożyć, zanim woda się przeleje?

Rysunek. Menisk

Okazuje się, że szpilek może wejść bardzo dużo, a woda się nie wylewa, za to powierzchnia wody nad otworem szklanki przestaje być płaska, a robi się wypukła. Jak myślisz, co trzyma wodę w szklance i nie pozwala jej się wylać, mimo iż jest nalana "z czubem"?

Coin on water.jpg
Nartnik.jpg
]]


Doświadczenie x

Dwie prostokątne płytki szklane wstaw dolnymi krawędziami do płaskiego naczynia, w którym jest trochę wody zabarwionej nadmanganianem potasu (lub, o co łatwiej, mocna esencja herbaciana), a następnie zetknij parę ich pionowych boków tak, by płytki tworzyły kąt ostry. Zbliżaj do siebie płytki i obserwuj wodę między nimi. Co zauważyłeś?

Fotografia zjawiska i może rysunek z rurkami

Woda wspina się między płytkami do góry, i tam, gdzie są bliżej siebie, tj. przy ich wspólnej krawędzi, sięga znacznie wyżej niż w miejscach, gdzie płytki sa oddalone. Zjawisko to nazywamy włoskowatością. Wykorzystują je żywe organizmy. Wznoszenie się wody w wąskich naczyniach - tzw. kapilarach - jest częścią mechanizmu, który pozwala roślinom ciągnąć z gleby wodę i rozpuszczone w niej sole mineralne na duże wysokości. Na co dzień też mamy do czynienia z włoskowatością - dzięki niej włochaty ręcznik osuszy nas po kąpieli, a papierowy ręcznik kuchenny wchłonie wodę rozlaną na blacie. Możecie również zaobserwować wznoszenie się (zabarwionej) wody w "naturalnych" rurkach - np. w kawałku kredy, w pionowo ustawionej gąbce i kwiecie zanurzonym łodygą.

Rysunek. Siły - napięcie powierzchniowe.
Rysunek. Kształty kropel.
  • Doświadczenie: napięcie powierzchniowe (np. łódeczka napędzana detergentem)
  • Doświadczenie: obserwacja menisku wklęsłego i wypukłego

Pytanie: Jakie znasz skutki zjawiska włoskowatości? Wymień je i podziel na pożyteczne (dla człowieka i przyrody) i szkodliwe.

=Zadania i pytania =

1. Starożytny filozof Demokryt z Abdery był zdania, że wszelkie własności materii dadzą się wyjaśnić przez cechy atomów. "Naprawdę istnieją tylko atomy i próżnia, a słodycz i gorycz, ciepło i barwy są subiektywne". Wyjaśnij własnymi słowami, jak rozumiesz zdanie Demokryta w świetle zdobytej przez siebie wiedzy o budowie materii. 2. Który z poniższych procesów można wytłumaczyć przy założeniu istnienia cząsteczek: - samorzutne rozpuszczanie substancji stałych w wodzie - samorzutne mieszanie gazów - obydwa wyżej wymienione procesy? 3.Z czego są zbudowane para wodna i lód? - z cząsteczek pary wodnej i małych kryształków lodu - z dwóch różnych rodzajów cząsteczek, bo są dwiema różnymi substancjami - z tych samych cząsteczek, bo to ta sama substancja. 4. Każdej zimy wiele osób ulega zatruciu tlenkiem węgla ulatniającym się ze źle wyregulowanych piecyków gazowych. Podczas spalania gazu wydziela się z nich zamiast dwutlenku węgla trujący tlenek węgla. Do zatrucia może dojść nawet wtedy, gdy ofiara znajduje się w innym pomieszczeniu niż piecyk. Wyjaśnij, w jaki sposób tlenek węgla może się rozprzestrzeniać po mieszkaniu. 5. Łyżeczka oleju wylana na powierzchnię spokojnej wody w stawie rozprzestrzenia się, tworząc kolistą plamę. Grubość warstewki oleju jest równa wielkości jednej cząsteczki. Gdy w laboratorium upuścimy na wodę 0,001 milimetra sześciennego tego oleju, rozpłynie się on na powierzchni 1 m². Zakładając, że grubość tej warstwy pokrywa się z wysokością jednej cząsteczki, oblicz jej rozmiary.

Dodatek historyczny o rozwoju naszej wiedzy o budowie materii

Zadania

  1. Zadanie:
    tu treść pierwszego zadania
  2. Zadanie:
    tu treść drugiego zadania
  3. ...

Krótkie podsumowanie najważniejszych pojęć

Najważniejsze twierdzenia, fakty, wzory.