Teoria cinetică moleculară explică că toate substanțele pot exista în trei stări de agregare: solidă, lichidă și gazoasă. De exemplu, gheață, apă și vapori de apă. Plasma este adesea considerată a patra stare a materiei.
Stări agregate ale materiei(din latină agrego– atașați, conectați) – stări ale aceleiași substanțe, tranziții între care sunt însoțite de o schimbare a acesteia proprietăți fizice. Aceasta este schimbarea stărilor agregate ale materiei.
În toate cele trei stări, moleculele aceleiași substanțe nu sunt diferite una de cealaltă, se schimbă doar locația lor, natura mișcării termice și forțele interacțiunii intermoleculare.
Mișcarea moleculelor în gaze
În gaze, distanța dintre molecule și atomi este de obicei semnificativă mai multe dimensiuni molecule, iar forțele de atracție sunt foarte mici. Prin urmare, gazele nu au propria lor formă și volum constant. Gazele sunt ușor comprimate deoarece forțele de respingere pe distanțe mari sunt, de asemenea, mici. Gazele au proprietatea de a se extinde la nesfârșit, umplând întregul volum care le este furnizat. Moleculele de gaz se mișcă cu viteze foarte mari, se ciocnesc între ele și se aruncă în direcții diferite. Se creează numeroase impacturi ale moleculelor asupra pereților vasului presiunea gazului.
Mișcarea moleculelor în lichide
În lichide, moleculele nu numai că oscilează în jurul unei poziții de echilibru, dar fac și salturi de la o poziție de echilibru la alta. Aceste salturi apar periodic. Se numește intervalul de timp dintre astfel de sărituri timpul mediu al vieții stabilite(sau timp mediu de relaxare) și este desemnată prin litera ?. Cu alte cuvinte, timpul de relaxare este timpul oscilațiilor în jurul unei poziții specifice de echilibru. La temperatura camerei de această dată în medie 10 -11 s. Timpul unei oscilații este de 10 -12 ... 10 -13 s.
Timpul vieții sedentare scade odată cu creșterea temperaturii. Distanța dintre moleculele lichide dimensiuni mai mici molecule, particulele sunt situate aproape unele de altele, iar atracția intermoleculară este puternică. Cu toate acestea, aranjarea moleculelor lichide nu este strict ordonată pe tot volumul.
Lichidele, ca și solidele, își păstrează volumul, dar nu au propria lor formă. Prin urmare, ele iau forma vasului în care se află. Lichidul are următoarele proprietăți: fluiditate. Datorită acestei proprietăți, lichidul nu rezistă la schimbarea formei, este ușor comprimat, iar proprietățile sale fizice sunt aceleași în toate direcțiile din interiorul lichidului (izotropia lichidelor). Natura mișcării moleculare în lichide a fost stabilită pentru prima dată de fizicianul sovietic Iakov Ilici Frenkel (1894 - 1952).
Mișcarea moleculelor în solide
Moleculele și atomii unui solid sunt aranjați într-o anumită ordine și formă rețea cristalină. Astfel de solide se numesc cristaline. Atomii efectuează mișcări vibraționale în jurul poziției de echilibru, iar atracția dintre ei este foarte puternică. Prin urmare, solidele în conditii normale păstrează volumul și au propria lor formă.
Fizică
Interacțiunea dintre atomi și molecule de materie. Structura corpurilor solide, lichide și gazoase
Între moleculele unei substanțe, forțele de atracție și de respingere acționează simultan. Aceste forțe depind în mare măsură de distanțele dintre molecule.
Conform studiilor experimentale și teoretice, forțele de interacțiune intermoleculară sunt invers proporționale cu puterea a n-a a distanței dintre molecule:
unde pentru forțele de atracție n = 7, iar pentru forțele de respingere .
Interacțiunea a două molecule poate fi descrisă folosind un grafic al proiecției forțelor rezultante de atracție și respingere ale moleculelor pe distanța r dintre centrele lor. Să direcționăm axa r de la molecula 1, al cărei centru coincide cu originea coordonatelor, către centrul moleculei 2 situat la o distanță de aceasta (Fig. 1).
Atunci proiecția forței de repulsie a moleculei 2 din molecula 1 pe axa r va fi pozitivă. Proiecția forței de atracție a moleculei 2 către molecula 1 va fi negativă.
Forțele de respingere (Fig. 2) sunt mult mai mari decât forțele de atracție la distanțe scurte, dar scad mult mai repede odată cu creșterea lui r. Forțele de atracție scad și ele rapid odată cu creșterea lui r, astfel încât, începând de la o anumită distanță, interacțiunea moleculelor poate fi neglijată. Cea mai lungă distanță rm, la care moleculele încă interacționează, se numește raza de acțiune moleculară 
.
Forțele de respingere sunt egale ca mărime cu forțele de atracție.
Distanța corespunde poziției relative de echilibru stabil a moleculelor.
În diferite stări de agregare ale unei substanțe, distanța dintre moleculele sale este diferită. De aici diferența în interacțiunea forțelor moleculelor și o diferență semnificativă în natura mișcării moleculelor de gaze, lichide și solide.
În gaze, distanțele dintre molecule sunt de câteva ori mai mari decât dimensiunile moleculelor în sine. Ca urmare, forțele de interacțiune dintre moleculele de gaz sunt mici, iar energia cinetică a mișcării termice a moleculelor depășește cu mult energia potențială a interacțiunii lor. Fiecare moleculă se mișcă liber de la alte molecule la viteze enorme (sute de metri pe secundă), schimbând direcția și modulul de viteză atunci când se ciocnește cu alte molecule. Calea liberă a moleculelor de gaz depinde de presiunea și temperatura gazului. În condiții normale.
În lichide, distanța dintre molecule este mult mai mică decât în gaze. Forțele de interacțiune dintre molecule sunt mari, iar energia cinetică a mișcării moleculelor este proporțională cu energia potențială a interacțiunii lor, în urma căreia moleculele lichidului oscilează în jurul unei anumite poziții de echilibru, apoi sar brusc la nou. poziții de echilibru după perioade foarte scurte de timp, ceea ce duce la fluiditatea lichidului. Astfel, într-un lichid, moleculele efectuează în principal mișcări de vibrație și translație. În solide, forțele de interacțiune dintre molecule sunt atât de puternice încât energia cinetică a mișcării moleculelor este mult mai mică decât energia potențială a interacțiunii lor. Moleculele efectuează doar vibrații cu o amplitudine mică în jurul unei anumite poziții constante de echilibru - un nod al rețelei cristaline.
Această distanță poate fi estimată prin cunoașterea densității substanței și a masei molare. Concentrarea - numărul de particule pe unitate de volum, raportat la densitate, masa molarași raportul numeric al lui Avogadro.
lichide, corpuri amorfe și cristaline
gaze si lichide
gaze, lichide și solide cristaline
aproximativ egal cu diametrul moleculei
mai mic decât diametrul moleculei
de vreo 10 ori diametru mai mare molecule
depinde de temperatura gazului
lichide
corpuri cristaline
corpuri amorfe
doar modele cu structuri de gaz
doar modele ale structurii corpurilor amorfe
modele ale structurii gazelor și lichidelor
modele ale structurii gazelor, lichidelor și solidelor
distanța dintre molecule crește
moleculele încep să se atragă între ele
ordinea în aranjarea moleculelor crește
distanța dintre molecule scade
nu s-a schimbat
crescut de 5 ori
a scăzut de 5 ori
crescut cu rădăcina lui cinci
Distanțele dintre molecule sunt comparabile cu dimensiunile moleculelor (în condiții normale) pt
În gaze în condiții normale, distanța medie dintre molecule este
Cea mai mică ordine în aranjarea particulelor este caracteristică
Distanța dintre particulele de materie vecine este, în medie, de multe ori mai mare decât dimensiunea particulelor în sine. Această afirmație corespunde modelului
În timpul trecerii apei de la starea lichidă la starea cristalină
La presiune constantă, concentrația de molecule de gaz a crescut de 5 ori, dar masa sa nu s-a schimbat. Energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor de gaz
Tabelul arată punctele de topire și de fierbere ale unor substanțe:
substanţă | Punct de fierbere | substanţă | Punct de topire |
naftalină |
Alegeți afirmația corectă.
Punctul de topire al mercurului este mai mare decât punctul de fierbere al eterului
Punctul de fierbere al alcoolului este mai mic decât punctul de topire al mercurului
Punctul de fierbere al alcoolului este mai mare decât punctul de topire al naftalinei
Punctul de fierbere al eterului este mai mic decât punctul de topire al naftalinei
Temperatura solidului a scăzut cu 17 ºС. Pe scara temperaturii absolute, această schimbare a fost
1) 290 K 2) 256 K 3) 17 K 4) 0 K
9. Un vas de volum constant contine un gaz ideal in cantitate de 2 mol. Cum ar trebui să se modifice temperatura absolută a unui recipient cu gaz atunci când 1 mol de gaz este eliberat din recipient, astfel încât presiunea gazului pe pereții recipientului să crească de 2 ori?
1) crește de 2 ori 3) crește de 4 ori
2) reduce de 2 ori 4) reduce de 4 ori
10. La temperatura T și presiunea p, un mol dintr-un gaz ideal ocupă volumul V. Care este volumul aceluiași gaz, luat în cantitate de 2 moli, la presiunea 2p și temperatura 2T?
1) 4V 2) 2V 3) V 4) 8V
11. Temperatura hidrogenului luat în cantitate de 3 moli într-un vas este egală cu T. Care este temperatura oxigenului luat în cantitate de 3 moli într-un vas de același volum și la aceeași presiune?
1) T 2) 8T 3) 24 T 4) T/8
12. Există un gaz ideal într-un vas închis cu un piston. În figură este prezentat un grafic al dependenței presiunii gazului de temperatură cu modificările stării sale. Ce stare de gaz corespunde celui mai mic volum?
1) A 2) B 3) C 4) D
13. Un vas de volum constant conține un gaz ideal, a cărui masă variază. Diagrama prezintă procesul de schimbare a stării unui gaz. În ce punct al diagramei este masa de gaz cea mai mare?
1) A 2) B 3) C 4) D
14. La aceeași temperatură, aburul saturat dintr-un vas închis diferă de aburul nesaturat din același vas
1) presiune
2) viteza de mișcare a moleculelor
3) energia medie a mișcării haotice a moleculelor
4) absența gazelor străine
15. Care punct din diagramă corespunde presiunii maxime a gazului?
este imposibil să dai un răspuns exact
17. Un balon cu un volum de 2500 de metri cubi cu o masă a carcasei de 400 kg are în partea de jos o gaură prin care aerul din balon este încălzit de un arzător. Până la ce oră temperatura minima Trebuie să încălziți aerul din balon pentru ca balonul să decoleze împreună cu o încărcătură (coș și aeronaut) cu greutatea de 200 kg? Temperatura aerului ambiental este de 7ºС, densitatea sa este de 1,2 kg pe metru cub. Învelișul mingii este considerat inextensibil.
MCT și termodinamică
MCT și termodinamică
Pentru această secțiune, fiecare opțiune a inclus cinci sarcini cu o alegere
răspuns, dintre care 4 sunt de nivel de bază și 1 este avansat. Pe baza rezultatelor examenului
Au fost învățate următoarele elemente de conținut:
Aplicarea ecuației Mendeleev–Clapeyron;
Dependența presiunii gazului de concentrația de molecule și temperatură;
Cantitatea de căldură în timpul încălzirii și răcirii (calcul);
Caracteristici ale transferului de căldură;
Umiditatea relativă a aerului (calcul);
Lucrări în termodinamică (grafic);
Aplicarea ecuației de stare a gazelor.
Printre sarcinile de nivel de bază, următoarele întrebări au cauzat dificultăți:
1) Schimbarea energie internăîn diferite izoprocese (de exemplu, cu
creşterea izocoră a presiunii) – 50% completare.
2) Grafice de izoproces – 56%.
Exemplul 5.
Masa constantă a unui gaz ideal este implicată în procesul prezentat
în imagine. Se atinge cea mai mare presiune a gazului din proces
1) la punctul 1
2) pe tot segmentul 1–2
3) la punctul 3
4) pe tot segmentul 2–3
Raspuns: 1
3) Determinarea umidității aerului – 50%. Aceste sarcini conțineau o fotografie
psicrometru, conform căruia a fost necesar să se efectueze citiri de uscat și umed
termometre și apoi determinați umiditatea aerului folosind piesa
tabel psicrometric dat în sarcină.
4) Aplicarea primei legi a termodinamicii. Aceste sarcini s-au dovedit a fi cele mai multe
dificil printre sarcinile de nivel de bază pentru această secțiune – 45%. Aici
a fost necesar să se utilizeze graficul pentru a determina tipul de izoproces
(s-au folosit fie izoterme, fie izocore) și în conformitate cu aceasta
determinați unul dintre parametrii pe baza celuilalt dat.
Printre sarcini nivel superior au fost prezentate probleme de calcul pentru
aplicarea ecuației de stare a gazelor, care a fost finalizată în medie cu 54%
elevii, precum și sarcinile utilizate anterior pentru a determina schimbări
parametrii unui gaz ideal într-un proces arbitrar. Se ocupă de ei cu succes
doar un grup de absolvenți puternici, iar rata medie de finalizare a fost de 45%.
Una dintre aceste sarcini este prezentată mai jos.
Exemplul 6
Un gaz ideal este conținut într-un vas închis de un piston. Proces
modificările stării gazului sunt prezentate în diagramă (vezi figura). Cum
s-a modificat volumul gazului în timpul trecerii din starea A în starea B?
1) a crescut tot timpul
2) a scăzut tot timpul
3) mai întâi a crescut, apoi a scăzut
4) mai întâi a scăzut, apoi a crescut
Raspuns: 1
Tipuri de activități Cantitate
sarcini %
fotografii2 10-12 25.0-30.0
4. FIZICA
4.1. Caracteristicile materialelor de măsurare de control în fizică
2007
Lucrare de examen pentru un singur examen de statîn 2007 a avut
aceeași structură ca în ultimii doi ani. Acesta a constat din 40 de sarcini,
diferind prin forma de prezentare si nivelul de complexitate. În prima parte a lucrării
Au fost incluse 30 de sarcini cu alegere multiplă, unde fiecare sarcină a fost însoțită de
patru variante de răspuns, dintre care doar una a fost corectă. A doua parte conținea 4
teme cu răspuns scurt. Erau probleme de calcul, după rezolvare
care impunea ca răspunsul să fie dat sub forma unui număr. A treia parte a examenului
lucru - acestea sunt 6 probleme de calcul, la care a fost necesar să se aducă un complet
soluție detaliată. Timp total Timpul de finalizare a lucrărilor a fost de 210 minute.
Codificator de elemente de conținut educațional și specificație
lucrările de examen au fost întocmite pe baza Minimului Obligatoriu
1999 Nr. 56) și a luat în considerare componenta federală a standardului de stat
învățământ secundar (complet) în fizică, nivel de specialitate (Ordinul MDM din 5
martie 2004 nr. 1089). Codificatorul elementului de conținut nu s-a modificat conform
comparativ cu 2006 și a inclus doar acele elemente care au fost simultan
prezente atât în componenta federală a standardului de stat
(nivel de profil, 2004), și în conținutul minim obligatoriu
educație 1999
Comparativ cu materialele de măsurare de control din 2006 în variante
În cadrul examenului de stat unificat din 2007, au fost făcute două modificări. Prima dintre acestea a fost redistribuirea
sarcini în prima parte a lucrării pe bază tematică. Indiferent de dificultate
(niveluri de bază sau avansate), toate sarcinile mecanice urmate mai întâi, apoi
în MCT și termodinamică, electrodinamică și, în sfârșit, fizică cuantică. Doilea
Schimbarea a vizat introducerea țintită a testării sarcinilor
formarea deprinderilor metodologice. În 2007, sarcinile A30 au testat abilitățile
analiza rezultatele studiilor experimentale, exprimate sub formă
tabele sau grafice, precum și să construiți grafice pe baza rezultatelor experimentului. Selecţie
sarcinile pentru linia A30 au fost efectuate pe baza necesității verificării în aceasta
o serie de opțiuni pentru un tip de activitate și, în consecință, indiferent de
afilierea tematică a unei sarcini specifice.
Foaia de examen a inclus sarcini de bază, avansate
și niveluri ridicate de dificultate. Sarcinile de nivel de bază au testat stăpânirea celor mai multe
concepte și legi fizice importante. Sarcinile de nivel superior au fost controlate
capacitatea de a utiliza aceste concepte și legi pentru a analiza procese mai complexe sau
capacitatea de a rezolva probleme care implică aplicarea uneia sau a două legi (formule) conform oricăreia dintre
aceste curs şcolar fizică. Misiuni nivel înalt dificultățile sunt calculate
sarcini care reflectă nivelul cerințelor pentru examenele de admitere la universități și
necesită aplicarea cunoștințelor din două sau trei secțiuni de fizică simultan într-o modificare sau
noua situatie.
KIM 2007 a inclus sarcini pentru tot conținutul de bază
secțiuni ale cursului de fizică:
1) „Mecanica” (cinematică, dinamică, statică, legi de conservare în mecanică,
vibrații mecanice și unde);
2) „Fizica moleculară. Termodinamică”;
3) „Electrodinamică” (electrostatică, D.C., câmp magnetic,
inducție electromagnetică, oscilații și unde electromagnetice, optică);
4) „Fizica cuantică” (elementele STR, dualitate undă-particulă, fizică
atom, fizica nucleului atomic).
Tabelul 4.1 arată distribuția sarcinilor pe blocurile de conținut din fiecare
din părți ale lucrării de examen.
Tabelul 4.1
în funcţie de tipul sarcinilor
Toată munca
(cu alegere
(cu scurt
sarcini % Cantitate
sarcini % Cantitate
sarcini %
1 Mecanica 11-131 27,5-32,5 9-10 22,5-25,0 1 2,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT și termodinamică 8-10 20,0-25,0 6-7 15,0-17,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
3 Electrodinamica 12-14 30,0-35,5 9-10 22,5-15,0 2 5,0 2-3 5,0-7,5
4 Fizica cuantică și
STO 6-8 15,0-20,0 5-6 12,5-15,0 – – 1-2 2,5-5,0
Tabelul 4.2 arată distribuția sarcinilor între blocurile de conținut în
in functie de nivelul de dificultate.
Masă4.2
Repartizarea temelor pe secțiuni ale cursului de fizică
in functie de nivelul de dificultate
Toată munca
Nivel de bază
(cu alegere
Ridicat
(cu alegerea răspunsului
si scurt
Nivel înalt
(cu extins
secțiunea de răspuns)
sarcini % Cantitate
sarcini % Cantitate
sarcini % Cantitate
sarcini %
1 Mecanica 11-13 27,5-32,5 7-8 17,5-20,0 3 7,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT și termodinamică 8-10 20,0-25,0 5-6 12,5-15,0 2 5,0 1-2 2,5-5,0
3 Electrodinamica 12-14 30,0-35,5 7-8 17,5-20,0 4 10,0 2-3 5,0-7,5
4 Fizica cuantică și
STO 6-8 15,0-20,0 4-5 10,0-12,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
La elaborarea conținutului lucrării de examen am ținut cont
necesitatea de a testa stăpânirea diferitelor tipuri de activități. În același timp
sarcinile pentru fiecare din seria de opțiuni au fost selectate ținând cont de distribuția pe tip
activităţile prezentate în tabelul 4.3.
1 Modificarea numărului de sarcini pentru fiecare subiect se datorează diferitelor subiecte ale sarcinilor complexe C6 și
sarcinile A30, testarea abilităților metodologice folosind materiale din diferite ramuri ale fizicii, în
diverse serii de opțiuni.
Masă4.3
Repartizarea sarcinilor pe tip de activitate
Tipuri de activități Cantitate
sarcini %
1 Înțelegeți semnificația fizică a modelelor, conceptelor, cantităților 4-5 10,0-12,5
2 Explicați fenomene fizice, distinge influența diferitelor
factori de apariţie a fenomenelor, manifestări ale fenomenelor în natură sau
utilizarea lor în dispozitivele tehnice și viața de zi cu zi
3 Aplicați legile fizicii (formule) pentru a analiza procese pe
nivel de calitate 6-8 15,0-20,0
4 Aplicați legile fizicii (formule) pentru a analiza procese pe
nivel calculat 10-12 25,0-30,0
5 Analizați rezultatele studiilor experimentale 1-2 2.5-5.0
6 Analizați informațiile obținute din grafice, tabele, diagrame,
fotografii2 10-12 25.0-30.0
7 Rezolvarea problemelor cu diferite niveluri de complexitate 13-14 32,5-35,0
Toate sarcinile din prima și a doua parte a lucrării de examinare au fost evaluate la 1
scorul primar. Soluțiile la problemele din partea a treia (C1-C6) au fost verificate de doi experți în
în conformitate cu criteriile generale de evaluare, luând în considerare corectitudinea şi
completitudinea răspunsului. Scorul maxim pentru toate sarcinile cu un răspuns detaliat a fost 3
puncte. Problema a fost considerată rezolvată dacă elevul a obținut cel puțin 2 puncte pentru ea.
Pe baza punctelor acordate pentru finalizarea tuturor sarcinilor de examen
munca, a fost tradusă în puncte de „test” pe o scară de 100 de puncte și în note
pe o scară de cinci puncte. Tabelul 4.4 prezintă relațiile dintre primar,
scorurile testelor folosind un sistem de cinci puncte în ultimii trei ani.
Masă4.4
Raportul scorului primar, scorurile la teste și notele școlare
Ani, punctele 2 3 4 5
2007 primar 0-11 12-22 23-35 36-52
test 0-32 33-51 52-68 69-100
2006 primar 0-9 10-19 20-33 34-52
test 0-34 35-51 52-69 70-100
2005 primar 0-10 11-20 21-35 36-52
test 0-33 34-50 51-67 68-100
O comparație a limitelor scorurilor primare arată că în acest an condițiile
obţinerea notelor corespunzătoare au fost mai stricte faţă de anul 2006, dar
corespundea aproximativ condiţiilor din 2005. Acest lucru s-a datorat faptului că în trecut
anul, nu doar cei care plănuiau să intre în universități au susținut examenul unificat de fizică
în profilul relevant, dar și aproape 20% dintre studenți (din numărul total al celor care susțin testul),
care au studiat fizica la nivel de bază (pentru ei s-a decis acest examen
regiune obligatorie).
În total, 40 de opțiuni au fost pregătite pentru examen în 2007,
care erau cinci serii de 8 opțiuni, create după planuri diferite.
Seria de opțiuni diferă în elemente și tipuri de conținut controlat
activități pentru aceeași linie de sarcini, dar în general toate au avut aproximativ
2 În acest caz, ne referim la forma informațiilor prezentate în textul sarcinii sau a factorilor care distrag atenția,
prin urmare, aceeași sarcină poate testa două tipuri de activități.
aceleaşi nivel intermediar complexitate şi corespunde planului de examen
lucrările prezentate în Anexa 4.1.
4.2. Caracteristicile examenului de stat unificat la fizică participanții2007 an
Numărul participanților la examenul de stat unificat de fizică în acest an a fost de 70.052 de persoane, ceea ce
semnificativ mai scăzut decât în anul precedent și aproximativ în concordanță cu indicatorii
2005 (vezi tabelul 4.5). Numărul de regiuni în care absolvenții au susținut examenul de stat unificat
fizica, a crescut la 65. Numarul absolventilor care au ales fizica in format
Examenul de stat unificat este semnificativ diferit pentru regiuni diferite: de la 5316 persoane in Republica
Tatarstan până la 51 de persoane în Nenets Okrug autonom. Ca procent din
până la numărul total de absolvenți, numărul participanților la examenul unificat de stat în fizică variază de la
0,34% la Moscova la 19,1% în regiunea Samara.
Masă4.5
Numărul de participanți la examen
An Număr Fete Băieți
regiuni
participanți Număr % Număr %
2005 54 68 916 18 006 26,1 50 910 73,9
2006 61 90 3893 29 266 32,4 61 123 67,6
2007 65 70 052 17 076 24,4 52 976 75,6
Examenul de fizică este ales predominant de bărbați tineri și doar un sfert din
din numărul total de participanți sunt fete care au ales să continue
universități de învățământ cu profil fizic și tehnic.
Distribuția participanților la examen pe categorii rămâne practic neschimbată de la an la an.
tipuri de așezări (vezi tabelul 4.6). Aproape jumătate dintre absolvenții care au luat
Examenul de stat unificat la fizică, locuiește în orașe mari și doar 20% sunt studenți care au absolvit
scoli rurale.
Masă4.6
Repartizarea participanților la examen în funcție de tipul de soluționare, în care
se află instituțiile lor de învățământ
Numărul de examinați Procent
Tip decontare examinaţi
Aşezare rurală (sat,
sat, gospodărie etc.) 13.767 18.107 14.281 20,0 20,0 20,4
Aşezare urbană
(sat de lucru, sat urban
tip etc.)
4 780 8 325 4 805 6,9 9,2 6,9
Oraș cu o populație mai mică de 50 de mii de locuitori 7.427 10.810 7.965 10,8 12,0 11,4
Oraș cu o populație de 50-100 mii locuitori 6.063 8.757 7.088 8,8 9,7 10,1
Oraș cu o populație de 100-450 mii locuitori 16.195 17.673 14.630 23,5 19,5 20,9
Oraș cu o populație de 450-680 mii locuitori 7.679 11.799 7.210 11,1 13,1 10,3
Un oraș cu o populație de peste 680 de mii.
persoane 13.005 14.283 13.807 18,9 15,8 19,7
Sankt Petersburg – 72 7 – 0,1 0,01
Moscova – 224 259 – 0,2 0,3
Fără date – 339 – – 0,4 –
Total 68.916 90.389 70.052 100% 100% 100%
3 În 2006 într-una din regiuni examenele de admitere Studiile de fizică la universități au fost efectuate numai în
Format de examen de stat unificat. Acest lucru a dus la o creștere atât de semnificativă a numărului de participanți la examenul de stat unificat.
Compoziția participanților la examen pe tip de educație rămâne practic neschimbată.
instituții (vezi tabelul 4.7). Ca și anul trecut, marea majoritate
examinatorii au terminat institutii de invatamantși doar aproximativ 2%
absolvenţii au venit la examen din instituţiile de învăţământ de primar sau
medie învăţământul profesional.
Masă4.7
Distribuția participanților la examen pe tip de instituție de învățământ
Număr
examinaţi
La sută
Tip institutie de invatamant examinaţi
2006 G. 2007 G. 2006 G. 2007 G.
Instituții de învățământ general 86.331 66.849 95,5 95,4
Învățământ general de seară (în tură).
instituţii 487 369 0,5 0,5
internat de invatamant general,
scoala de cadeti, internat cu
pregătire inițială de zbor
1 144 1 369 1,3 2,0
Instituţii de învăţământ primar şi
învăţământul secundar profesional 1.469 1.333 1,7 1,9
Fără date 958 132 1,0 0,2
Total: 90.389 70.052 100% 100%
4.3. Principalele rezultate ale lucrării de examen la fizică
În general, rezultatele lucrărilor de examinare din 2007 au fost
ceva mai mare decât rezultatele de anul trecut, dar aproximativ la același nivel cu
indicatori din anul precedent. Tabelul 4.8 prezintă rezultatele examenului unificat de stat în fizică în 2007.
pe o scară de cinci puncte, iar în Tabelul 4.9 și Fig. 4.1 – pe baza scorurilor la test de 100-
scara de puncte. Pentru claritatea comparației, rezultatele sunt prezentate în comparație cu
ultimii doi ani.
Masă4.8
Repartizarea participanților la examen pe nivel
pregătire(procent din total)
Anii „2” Notă „p3o” 5 puncte „b4n” pe scara „5”
2005 10,5% 40,7% 38,1% 10,7%
2006 16,0% 41,4% 31,1% 11,5%
2007 12,3% 43,2% 32,5% 12,0%
Masă4.9
Repartizarea participanților la examen
pe baza scorurilor la test obținute în2005-2007 da.
An Intervalul scalei punctajului testului
schimb 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
2005 0,09% 0,57% 6,69% 19,62% 24,27% 24,44% 16,45% 6,34% 1,03% 0,50% 68 916
2006 0,10% 0,19% 6,91% 23,65% 23,28% 19,98% 15,74% 7,21% 2,26% 0,68% 90 389
2007 0,07% 1,09% 7,80% 19,13% 27,44% 20,60% 14,82% 6,76% 1,74% 0,55% 70 052
0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
Scorul testului
Procentul de elevi care au primit
scorul de test corespunzător
Orez. 4.1 Distribuția participanților la examen în funcție de scorurile primite
Tabelul 4.10 arată o comparație a scalei în puncte de testare din 100
scară cu rezultatele îndeplinirii sarcinilor din versiunea de examen la primar
Masă4.10
Compararea intervalelor de scor primar și de test în2007 an
Interval de scară
puncte de testare 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
Interval de scară
puncte primare 0-3 4-6 7-10 11-15 16-22 23-29 30-37 38-44 45-48 49-52
Pentru a primi 35 de puncte (scor 3, scor primar – 13) candidatul testului
A fost suficient să răspunzi corect la cele 13 cele mai simple întrebări din prima parte
lucru. Pentru a obține 65 de puncte (scor 4, scor inițial – 34), un absolvent trebuie
a fost, de exemplu, să răspundă corect la 25 de întrebări cu răspunsuri multiple, să rezolve trei din patru
probleme cu un răspuns scurt și, de asemenea, face față cu două probleme la nivel înalt
complexitate. Cei care au primit 85 de puncte (scor 5, scor primar – 46)
a executat perfect prima și a doua parte a lucrării și a rezolvat cel puțin patru probleme
a treia parte.
Cei mai buni dintre cei mai buni (interval de la 91 la 100 de puncte) trebuie nu numai
navigați liber în toate problemele cursului de fizică școlară, dar și practic
Evitați chiar și erorile tehnice. Deci, pentru a obține 94 de puncte (scor primar
– 49) a fost posibil să „nu obțineți” doar 3 puncte primare, permițând, de exemplu,
erori aritmetice la rezolvarea uneia dintre problemele de un nivel ridicat de complexitate
distante... între influențe și diferențe externe și interne conditiiPentru ... lanormal presiunea ajunge la 100°, atunci la ... Pentru funcţionarea sa în mare dimensiuni, Pentru ...
Wiener norbert cibernetica ediția a doua Wiener n cibernetica sau controlul și comunicarea la animale și mașini - ediția a II-a - m știință ediția principală a publicațiilor pentru țări străine 1983 - 344 p.
DocumentSau comparabil ... Pentru execuţie normal procesele de gândire. La astfel de conditii ... dimensiune Pentru linii de legătură între circumvoluții diferite distanţă... dintre care cele mai mici molecule componente ale amestecului...
Wiener n cibernetică sau control și comunicare la animale și mașini - ediția a II-a - m știință principala redacție a publicațiilor pentru țări străine 1983 - 344 p.
DocumentSau comparabil ... Pentru execuţie normal procesele de gândire. La astfel de conditii ... dimensiune, dar cu o suprafață netedă. Pe de alta parte, Pentru linii de legătură între circumvoluții diferite distanţă... dintre care cele mai mici molecule componente ale amestecului...
Solidele sunt acele substanțe care sunt capabile să formeze corpuri și au volum. Ele diferă de lichide și gaze prin forma lor. Solidele își păstrează forma corpului datorită faptului că particulele lor nu se pot mișca liber. Ele diferă prin densitate, plasticitate, conductivitate electrică și culoare. Au și alte proprietăți. De exemplu, majoritatea acestor substanțe se topesc în timpul încălzirii, dobândind o stare lichidă de agregare. Unele dintre ele, atunci când sunt încălzite, se transformă imediat în gaz (sublimă). Dar există și cele care se descompun în alte substanțe.
Tipuri de solide
Toate solidele sunt împărțite în două grupe.
- Amorfe, în care particulele individuale sunt aranjate aleatoriu. Cu alte cuvinte: nu au o structură clară (definită). Aceste solide sunt capabile să se topească într-un anumit interval de temperatură. Cele mai comune dintre ele includ sticla și rășina.
- Cristaline, care, la rândul lor, sunt împărțite în 4 tipuri: atomice, moleculare, ionice, metalice. În ele, particulele sunt localizate numai după un anumit model, și anume la nodurile rețelei cristaline. Geometria sa este diferite substanțe poate varia foarte mult.
Substanțele cristaline solide predomină asupra substanțelor amorfe în numărul lor.
Tipuri de solide cristaline
În stare solidă, aproape toate substanțele au o structură cristalină. Ele diferă prin rețelele lor la nodurile lor care conțin diverse particule și elemente chimice. În conformitate cu ei și-au primit numele. Fiecare tip are proprietăți caracteristice:
- Într-o rețea cristalină atomică, particulele unui solid sunt legate prin legături covalente. Se distinge prin durabilitate. Din acest motiv, astfel de substanțe au un punct de fierbere ridicat. Acest tip include cuarț și diamant.
- Într-o rețea cristalină moleculară, legăturile dintre particule sunt caracterizate prin slăbiciunea lor. Substanțele de acest tip se caracterizează prin ușurință în fierbere și topire. Se caracterizează prin volatilitate, datorită căreia au un anumit miros. Astfel de solide includ gheața și zahărul. Mișcările moleculelor în solide de acest tip se disting prin activitatea lor.
- La noduri, particulele corespunzătoare, încărcate pozitiv și negativ, alternează. Ele sunt ținute împreună prin atracție electrostatică. Acest tip de rețea există în alcaline, săruri. Multe substanțe de acest tip sunt ușor solubile în apă. Datorită legăturii destul de puternice dintre ioni, aceștia sunt refractari. Aproape toate sunt inodore, deoarece sunt caracterizate de nevolatilitate. Substanțele cu o rețea ionică nu pot conduce curent electric, deoarece nu conțin electroni liberi. Exemplu tipic solid ionic - sare de masă. Această rețea cristalină îi conferă fragilitate. Acest lucru se datorează faptului că orice schimbare a acestuia poate duce la apariția unor forțe repulsive ionice.
- Într-o rețea cristalină metalică, doar ionii sunt prezenți la noduri chimicale, încărcat pozitiv. Între ei se află electroni liberi, prin care termică și energie electrica. De aceea, orice metal se distinge printr-o caracteristică precum conductivitatea.
Concepte generale despre solide
Solidele și substanțele sunt practic același lucru. Acești termeni se referă la una din cele 4 stări de agregare. Solidele au o formă stabilă și un model de mișcare termică a atomilor. Mai mult, acestea din urmă efectuează mici oscilații în apropierea pozițiilor de echilibru. Ramura științei care studiază compoziția și structura internă se numește fizica stării solide. Există și alte domenii importante de cunoaștere care se ocupă de astfel de substanțe. Schimbarea formei sub influențe externe și mișcare se numește mecanica unui corp deformabil.
Datorită proprietăți diverse substanțe solide, acestea și-au găsit aplicație în diverse dispozitive tehnice create de om. Cel mai adesea, utilizarea lor s-a bazat pe proprietăți precum duritatea, volumul, masa, elasticitatea, plasticitatea și fragilitatea. Știința modernă face posibilă utilizarea altor calități ale solidelor care pot fi detectate doar în condiții de laborator.
Ce sunt cristalele
Cristalele sunt solide cu particule dispuse într-o anumită ordine. Fiecare are propria sa structură. Atomii săi formează un aranjament periodic tridimensional numit rețea cristalină. Solidele au simetrii structurale diferite. Stare cristalină Un corp solid este considerat stabil deoarece are o cantitate minimă de energie potențială.
Marea majoritate a solidelor constau dintr-un număr mare de boabe individuale orientate aleatoriu (cristalite). Astfel de substanțe se numesc policristaline. Acestea includ aliaje tehnice și metale, precum și multe roci. Cristalele naturale sau sintetice simple sunt numite monocristaline.
Cel mai adesea, astfel de solide se formează din starea fazei lichide, reprezentată de o topitură sau soluție. Uneori sunt obținute din stare gazoasă. Acest proces se numește cristalizare. Datorită progresului științific și tehnologic, procedura de creștere (sintetizare) a diferitelor substanțe a primit scara industriala. Majoritatea cristalelor au o formă naturală, cum ar fi Mărimile lor variază foarte mult. Astfel, cuarțul natural (cristalul de stâncă) poate cântări până la sute de kilograme, iar diamantele - până la câteva grame.
În solidele amorfe, atomii sunt în vibrație constantă în jurul unor puncte situate aleatoriu. Ei păstrează o anumită ordine pe rază scurtă, dar le lipsește ordinea pe rază lungă. Acest lucru se datorează faptului că moleculele lor sunt situate la o distanță care poate fi comparată cu dimensiunea lor. Cel mai comun exemplu de astfel de solid în viața noastră este starea sticloasă. adesea considerat ca un lichid cu vâscozitate infinit de mare. Timpul de cristalizare a acestora este uneori atât de lung încât nu apare deloc.
Proprietățile de mai sus ale acestor substanțe sunt cele care le fac unice. Solidele amorfe sunt considerate instabile deoarece pot deveni cristaline în timp.
Molecule și atomi care alcătuiesc solid, ambalat cu densitate mare. Ele își păstrează practic poziția relativă față de alte particule și sunt ținute împreună datorită interacțiunii intermoleculare. Distanța dintre moleculele unui solid în direcții diferite se numește parametrul rețelei cristaline. Structura unei substanțe și simetria ei determină multe proprietăți, cum ar fi banda electronică, clivajul și optica. Când o substanță solidă este expusă la o forță suficient de mare, aceste calități pot fi afectate într-o măsură sau alta. În acest caz, corpul solid este supus unei deformări reziduale.
Atomii solidelor suferă mișcări vibraționale, care determină posesia lor de energie termică. Deoarece sunt neglijabile, pot fi observate numai în condiții de laborator. a unei substanțe solide afectează foarte mult proprietățile acesteia.
Studiul solidelor
Caracteristicile, proprietățile acestor substanțe, calitățile lor și mișcarea particulelor sunt studiate în diferite subdomenii ale fizicii stării solide.
Pentru cercetare sunt utilizate următoarele metode: spectroscopie radio, analiză structurală cu raze X și alte metode. Așa se studiază proprietățile mecanice, fizice și termice ale solidelor. Duritatea, rezistența la sarcină, rezistența la tracțiune, transformările de fază sunt studiate de știința materialelor. Are multe în comun cu fizica stării solide. Există o altă știință modernă importantă. Studiul substanțelor existente și sinteza noilor se realizează prin chimie stare solidă.
Caracteristicile solidelor
Natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor unei substanțe solide determină multe dintre proprietățile sale, de exemplu, cele electrice. Există 5 clase de astfel de corpuri. Ele sunt stabilite în funcție de tipul de legătură dintre atomi:
- Ionic, a cărui caracteristică principală este forța de atracție electrostatică. Caracteristicile sale: reflectarea și absorbția luminii în regiunea infraroșu. La temperaturi scăzute, legăturile ionice au conductivitate electrică scăzută. Un exemplu de astfel de substanță este sarea de sodiu a acidului clorhidric (NaCl).
- Covalent, realizat de o pereche de electroni care aparține ambilor atomi. O astfel de legătură este împărțită în: simplă (simple), dublă și triplă. Aceste nume indică prezența perechilor de electroni (1, 2, 3). Legăturile duble și triple se numesc multipli. Există o altă diviziune a acestui grup. Astfel, în funcție de distribuția densității electronice, se disting legăturile polare și nepolare. Primul este format din atomi diferiți, iar al doilea din atomi identici. Această stare solidă a materiei, dintre care exemple sunt diamantul (C) și siliciul (Si), se distinge prin densitatea sa. Cele mai dure cristale aparțin tocmai legăturii covalente.
- Metalic, format prin combinarea electronilor de valență ai atomilor. Ca urmare, apare un nor general de electroni, care se deplasează sub influența tensiunii electrice. O legătură metalică se formează atunci când atomii care sunt legați sunt mari. Ei sunt cei care pot dona electroni. În multe metale și compuși complecși, această legătură formează o stare solidă a materiei. Exemple: sodiu, bariu, aluminiu, cupru, aur. Se pot observa următorii compuși nemetalici: AlCr2, Ca2Cu, Cu5Zn8. Substanțele cu legături metalice (metale) au proprietăți fizice variate. Pot fi lichide (Hg), moi (Na, K), foarte dure (W, Nb).
- Molecular, care apare în cristale care sunt formate din molecule individuale ale unei substanțe. Se caracterizează prin goluri între molecule cu densitate electronică zero. Forțele care leagă atomii împreună în astfel de cristale sunt semnificative. În acest caz, moleculele sunt atrase unele de altele doar prin atracție intermoleculară slabă. De aceea, legăturile dintre ele sunt ușor distruse atunci când sunt încălzite. Conexiunile dintre atomi sunt mult mai greu de rupt. Legăturile moleculare sunt împărțite în orientative, dispersive și inductive. Un exemplu de astfel de substanță este metanul solid.
- Hidrogen, care apare între atomii polarizați pozitiv ai unei molecule sau a unei părți a acesteia și cea mai mică particulă polarizată negativ a unei alte molecule sau părți. Astfel de conexiuni includ gheață.
Proprietățile solidelor
Ce știm astăzi? Oamenii de știință au studiat de multă vreme proprietățile stării solide a materiei. Când este expus la temperaturi, se schimbă și el. Tranziția unui astfel de corp în lichid se numește topire. Transformarea unui solid în stare gazoasă se numește sublimare. Pe măsură ce temperatura scade, solidul se cristalizează. Unele substanțe sub influența frigului trec în faza amorfă. Oamenii de știință numesc acest proces tranziție de sticlă.
Când structura internă a solidelor se modifică. Ea capătă cea mai mare ordine pe măsură ce temperatura scade. La presiunea atmosferică iar temperatura T > 0 K, orice substanțe existente în natură se solidifică. Doar heliul, care necesită o presiune de 24 atm pentru a cristaliza, este o excepție de la această regulă.
Starea solidă a unei substanțe îi conferă diverse proprietăți fizice. Ele caracterizează comportamentul specific al corpurilor sub influența anumitor câmpuri și forțe. Aceste proprietăți sunt împărțite în grupuri. Există 3 metode de influență, corespunzătoare a 3 tipuri de energie (mecanică, termică, electromagnetică). În consecință, există 3 grupuri de proprietăți fizice ale solidelor:
- Proprietăți mecanice asociate cu solicitarea și deformarea corpurilor. Conform acestor criterii, solidele sunt împărțite în elastice, reologice, de rezistență și tehnologice. În repaus, un astfel de corp își păstrează forma, dar se poate schimba sub influența unei forțe externe. În acest caz, deformarea sa poate fi plastică (forma inițială nu revine), elastică (revine la forma inițială) sau distructivă (dezintegrarea/ruperea are loc la atingerea unui anumit prag). Răspunsul la forța aplicată este descris de module elastice. Un corp solid rezistă nu numai la compresiune și tensiune, ci și la forfecare, torsiune și încovoiere. Puterea unui solid este capacitatea sa de a rezista distrugerii.
- Termic, manifestat la expunerea la câmpuri termice. Una dintre cele mai multe proprietăți importante- punctul de topire la care corpul se transformă în stare lichidă. Se observă în solidele cristaline. Corpurile amorfe au o căldură latentă de fuziune, deoarece trecerea lor la starea lichidă are loc treptat odată cu creșterea temperaturii. La atingerea unei anumite temperaturi corp amorf isi pierde elasticitatea si capata plasticitate. Această stare înseamnă că a atins temperatura de tranziție sticloasă. Când este încălzit, corpul solid se deformează. În plus, cel mai adesea se extinde. Cantitativ, această stare se caracterizează printr-un anumit coeficient. Temperatura corpului afectează caracteristicile mecanice precum fluiditatea, ductilitatea, duritatea și rezistența.
- Electromagnetic, asociat cu impactul asupra materiei solide al fluxurilor de microparticule și unde electromagnetice rigiditate mare. Acestea includ și proprietățile radiațiilor.
Structura zonei
Solidele sunt, de asemenea, clasificate în funcție de așa-numita structură a zonei. Deci, printre ele se numără:
- Conductori caracterizați prin aceea că benzile lor de conducere și de valență se suprapun. În acest caz, electronii se pot deplasa între ei, primind cea mai mică energie. Toate metalele sunt considerate conductoare. Atunci când unui astfel de corp i se aplică o diferență de potențial, se formează un curent electric (datorită mișcării libere a electronilor între punctele cu cel mai mic și cel mai mare potențial).
- Dielectrice ale căror zone nu se suprapun. Intervalul dintre ele depășește 4 eV. Pentru a conduce electronii din banda de valență în banda de conducere, este necesar mare energie. Datorită acestor proprietăți, dielectricii practic nu conduc curentul.
- Semiconductori caracterizați prin absența benzilor de conducție și de valență. Intervalul dintre ele este mai mic de 4 eV. Pentru a transfera electroni din banda de valență în banda de conducție, este necesară mai puțină energie decât pentru dielectrici. Semiconductorii puri (nedopați și intrinseci) nu trec bine curentul.
Mișcările moleculelor din solide determină proprietățile lor electromagnetice.
Alte proprietăți
Solidele sunt, de asemenea, clasificate în funcție de proprietățile lor magnetice. Există trei grupuri:
- Diamagneții, ale căror proprietăți depind puțin de temperatură sau de starea de agregare.
- Paramagneții, care sunt o consecință a orientării electronilor de conducere și a momentelor magnetice ale atomilor. Conform legii lui Curie, susceptibilitatea lor scade proporțional cu temperatura. Deci, la 300 K este 10 -5.
- Corpuri cu o structură magnetică ordonată, care posedă ordine atomică cu rază lungă. Particulele cu momente magnetice sunt localizate periodic la nodurile rețelei lor. Astfel de solide și substanțe sunt adesea folosite în diferite domenii ale activității umane.
Cele mai dure substanțe din natură
Ce sunt ei? Densitatea solidelor determină în mare măsură duritatea acestora. Pentru ultimii ani Oamenii de știință au descoperit mai multe materiale care pretind a fi „cel mai durabil corp”. Cea mai dură substanță este fullerita (un cristal cu molecule fullerene), care este de aproximativ 1,5 ori mai dur decât diamantul. Din păcate, în prezent este disponibil doar în cantități extrem de mici.
Astăzi, cea mai dură substanță care poate fi folosită în industrie în viitor este lonsdaleitul (diamantul hexagonal). Este cu 58% mai dur decât diamantul. Lonsdaleitul este o modificare alotropică a carbonului. Rețeaua sa cristalină este foarte asemănătoare cu cea a diamantului. O celulă de lonsdaleit conține 4 atomi, iar un diamant - 8. Dintre cristalele utilizate pe scară largă astăzi, diamantul rămâne cel mai dur.
1. Structura corpurilor gazoase, lichide și solide
Teoria cinetică moleculară face posibilă înțelegerea de ce o substanță poate exista în stare gazoasă, lichidă și solidă.
Gaze.În gaze, distanța dintre atomi sau molecule este în medie de multe ori mai mare decât dimensiunea moleculelor în sine ( Fig.8.5). De exemplu, la presiunea atmosferică volumul unui vas este de zeci de mii de ori mai mare decât volumul moleculelor din acesta.
Gazele sunt ușor comprimate, iar distanța medie dintre molecule scade, dar forma moleculei nu se schimbă ( Fig.8.6).
Moleculele se deplasează cu viteze enorme - sute de metri pe secundă - în spațiu. Când se ciocnesc, se aruncă unul pe celălalt în direcții diferite, ca niște mingi de biliard. Forțe slabe atracția moleculelor de gaz nu este capabilă să le țină una lângă alta. De aceea gazele se pot extinde nelimitat. Nu păstrează nici formă, nici volum.
Numeroase impacturi ale moleculelor pe pereții vasului creează presiunea gazului.
Lichide. Moleculele lichidului sunt situate aproape una de alta ( Fig.8.7), deci o moleculă lichidă se comportă diferit față de o moleculă de gaz. În lichide, există așa-numita ordine pe distanță scurtă, adică aranjarea ordonată a moleculelor este menținută pe distanțe egale cu mai multe diametre moleculare. Molecula oscilează în jurul poziției sale de echilibru, ciocnind cu moleculele învecinate. Doar din când în când mai face un „salt”, ajungând într-o nouă poziție de echilibru. În această poziție de echilibru, forța de respingere este egală cu forța de atracție, adică forța totală de interacțiune a moleculei este zero. Timp viaţă aşezată moleculele de apă, adică timpul vibrațiilor sale în jurul unei poziții specifice de echilibru la temperatura camerei, este în medie de 10 -11 s. Timpul unei oscilații este mult mai mic (10 -12 -10 -13 s). Odată cu creșterea temperaturii, timpul de rezidență al moleculelor scade.
Natura mișcării moleculare în lichide, stabilită pentru prima dată de fizicianul sovietic Ya.I Frenkel, ne permite să înțelegem proprietățile de bază ale lichidelor.
Moleculele lichide sunt situate direct una lângă alta. Pe măsură ce volumul scade, forțele de respingere devin foarte mari. Aceasta explică compresibilitatea scăzută a lichidelor.
După cum se știe, lichidele sunt fluide, adică nu își păstrează forma. Acest lucru poate fi explicat astfel. Forța externă nu modifică semnificativ numărul de salturi moleculare pe secundă. Dar salturile de molecule dintr-o poziție staționară în alta au loc predominant în direcția forței externe ( Fig.8.8). Acesta este motivul pentru care lichidul curge și ia forma recipientului.
Solide. Atomii sau moleculele solide, spre deosebire de atomii și moleculele de lichide, vibrează în jurul anumitor poziții de echilibru. Din acest motiv, solide păstrează nu numai volumul, ci și forma. Energia potențială a interacțiunii dintre moleculele unui corp solid este semnificativ mai mare decât energia lor cinetică.
Există o altă diferență importantă între lichide și solide. Un lichid poate fi comparat cu o mulțime de oameni, în care indivizii individuali se împodobesc neliniștit pe loc, iar un corp solid este ca o cohortă zveltă a acelorași indivizi care, deși nu stau în atenție, mențin în medie anumite distanțe între ei. . Dacă conectați centrele pozițiilor de echilibru ale atomilor sau ionilor unui corp solid, obțineți o rețea spațială obișnuită numită cristalin.
Figurile 8.9 și 8.10 arată rețele cristaline sare de masă și diamant. Ordine interioaraîn aranjarea atomilor de cristal duce la forme geometrice exterioare regulate.
Figura 8.11 prezintă diamante Yakut.
Într-un gaz, distanța l dintre molecule este mult mai mare decât dimensiunea moleculelor 0:" l>>r 0 .
Pentru lichide și solide l≈r 0. Moleculele unui lichid sunt dispuse în dezordine și din când în când sar dintr-o poziție stabilă în alta.
Solidele cristaline au molecule (sau atomi) aranjați într-o manieră strict ordonată.
2. Gazul ideal în teoria cinetică moleculară
Studiul oricărui domeniu al fizicii începe întotdeauna cu introducerea unui anumit model, în cadrul căruia are loc un studiu suplimentar. De exemplu, când am studiat cinematica, modelul corpului era un punct material etc. După cum probabil ați ghicit, modelul nu va corespunde niciodată proceselor care au loc efectiv, dar adesea se apropie foarte mult de această corespondență.
Fizica moleculară, și în special MCT, nu face excepție. Mulți oameni de știință au lucrat la problema descrierii modelului încă din secolul al XVIII-lea: M. Lomonosov, D. Joule, R. Clausius (Fig. 1). Acesta din urmă, de fapt, a introdus modelul cu gaz ideal în 1857. O explicație calitativă a proprietăților de bază ale unei substanțe bazată pe teoria cinetică moleculară nu este deosebit de dificilă. Totuși, teoria care stabilește legături cantitative între mărimile măsurate experimental (presiune, temperatură etc.) și proprietățile moleculelor înseși, numărul și viteza lor de mișcare, este foarte complexă. Într-un gaz la presiuni normale, distanța dintre molecule este de multe ori mai mare decât dimensiunile lor. În acest caz, forțele de interacțiune dintre molecule sunt neglijabile, iar energia cinetică a moleculelor este mult mai mare decât energia potențială a interacțiunii. Moleculele de gaz pot fi considerate puncte materiale sau bile solide foarte mici. În loc de gaz real, între moleculele cărora acționează forțe complexe de interacțiune, o vom lua în considerare Modelul este un gaz ideal.
Gaz ideal– un model de gaz, în care moleculele și atomii de gaz sunt reprezentați sub formă de bile elastice foarte mici (dimensiuni care dispar) care nu interacționează între ele (fără contact direct), ci doar se ciocnesc (vezi Fig. 2).
Trebuie remarcat faptul că hidrogenul rarefiat (sub presiune foarte scăzută) satisface aproape complet modelul de gaz ideal.
Orez. 2.
Gaz ideal este un gaz în care interacțiunea dintre molecule este neglijabilă. În mod natural, atunci când moleculele unui gaz ideal se ciocnesc, asupra lor acționează o forță de respingere. Întrucât putem considera moleculele de gaz, conform modelului, drept puncte materiale, neglijăm dimensiunile moleculelor, având în vedere că volumul pe care acestea îl ocupă este mult mai mic decât volumul vasului.
Să reamintim că în modelul fizic sunt luate în considerare doar acele proprietăți sistem real, ținând cont de ceea ce este absolut necesar pentru a explica modelele de comportament studiate ale acestui sistem. Nici un model nu poate transmite toate proprietățile unui sistem. Acum trebuie să rezolvăm o problemă destul de restrânsă: folosirea teoriei cinetice moleculare pentru a calcula presiunea unui gaz ideal pe pereții unui vas. Pentru această problemă, modelul de gaz ideal se dovedește a fi destul de satisfăcător. Aceasta duce la rezultate care sunt confirmate de experiență.
3. Presiunea gazului în teoria cinetică moleculară
Lăsați gazul să fie într-un recipient închis. Manometrul indică presiunea gazului p 0. Cum apare această presiune?
Fiecare moleculă de gaz care lovește peretele acționează asupra acestuia cu o anumită forță pentru o perioadă scurtă de timp. Ca urmare a impacturilor aleatorii asupra peretelui, presiunea se modifică rapid în timp, aproximativ așa cum se arată în Figura 8.12. Cu toate acestea, efectele cauzate de impactul moleculelor individuale sunt atât de slabe încât nu sunt înregistrate de un manometru. Manometrul înregistrează forța medie în timp care acționează asupra fiecărei unități de suprafață a elementului său sensibil - membrana. În ciuda micilor modificări ale presiunii, valoarea medie a presiunii p 0 practic se dovedește a fi o valoare complet definită, deoarece există o mulțime de impacturi asupra peretelui, iar masele moleculelor sunt foarte mici.
Un gaz ideal este un model al unui gaz real. Conform acestui model, moleculele de gaz pot fi considerate puncte materiale a căror interacțiune are loc numai atunci când se ciocnesc. Când moleculele de gaz se ciocnesc cu peretele, ele exercită presiune asupra acestuia.
4. Micro- și macroparametrii gazului
Acum putem începe să descriem parametrii unui gaz ideal. Ele sunt împărțite în două grupe:
Parametrii gazului ideal
Adică, microparametrii descriu starea unei singure particule (microcorp), iar macroparametrii descriu starea întregii porțiuni de gaz (macrocorp). Să scriem acum relația care leagă unii parametri cu alții sau ecuația de bază MKT:
Aici: - viteza medie de mișcare a particulelor;
Definiţie. – concentraţie particule de gaz – numărul de particule pe unitatea de volum; ; unitate de măsură –.
5. Valoarea medie a pătratului vitezei moleculelor
Pentru a calcula presiunea medie, trebuie să cunoașteți viteza medie a moleculelor (mai precis, valoarea medie a pătratului vitezei). Aceasta nu este o întrebare simplă. Ești obișnuit cu faptul că fiecare particulă are viteză. Viteza medie a moleculelor depinde de mișcarea tuturor particulelor.
Valori medii. De la bun început, trebuie să renunțați la încercarea de a urmări mișcarea tuturor moleculelor care alcătuiesc gazul. Sunt prea mulți și se mișcă foarte greu. Nu trebuie să știm cum se mișcă fiecare moleculă. Trebuie să aflăm la ce rezultat duce mișcarea tuturor moleculelor de gaz.
Natura mișcării întregului set de molecule de gaz este cunoscută din experiență. Moleculele se angajează în mișcări aleatorii (termice). Aceasta înseamnă că viteza oricărei molecule poate fi fie foarte mare, fie foarte mică. Direcția de mișcare a moleculelor se schimbă în mod constant pe măsură ce se ciocnesc unele de altele.
Cu toate acestea, vitezele moleculelor individuale pot fi oricare medie valoarea modulului acestor viteze este destul de certă. În mod similar, înălțimea elevilor dintr-o clasă nu este aceeași, dar media acesteia este un anumit număr. Pentru a găsi acest număr, trebuie să adunați înălțimile elevilor individuali și să împărțiți această sumă la numărul de studenți.
Valoarea medie a pătratului vitezei.În viitor, vom avea nevoie de valoarea medie nu a vitezei în sine, ci a pătratului vitezei. Energia cinetică medie a moleculelor depinde de această valoare. Iar energia cinetică medie a moleculelor, după cum vom vedea în curând, are un foarte mare valoareîn întreaga teorie cinetică moleculară.
Să notăm modulele de viteză ale moleculelor individuale de gaz cu . Valoarea medie a pătratului vitezei este determinată de următoarea formulă:
Unde N- numărul de molecule din gaz.
Dar pătratul modulului oricărui vector este egal cu suma pătratelor proiecțiilor sale pe axele de coordonate OX, OY, OZ. De aceea
Valorile medii ale cantităților pot fi determinate folosind formule similare cu formula (8.9). Între valoarea medie și valorile medii ale pătratelor proiecțiilor există aceeași relație ca relația (8.10):
Într-adevăr, egalitatea (8.10) este valabilă pentru fiecare moleculă. Adăugarea acestor egalități pentru molecule individuale și împărțirea ambelor părți ale ecuației rezultate la numărul de molecule N, ajungem la formula (8.11).
Atenţie! Deoarece direcţiile celor trei axe OH, OHŞi OZ datorită mișcării aleatorii a moleculelor, acestea sunt egale, valorile medii ale pătratelor proiecțiilor vitezei sunt egale între ele:
Vedeți, un anumit tipar iese din haos. Ai putea să-ți dai seama singur?
Ținând cont de relația (8.12), înlocuim în formula (8.11) în loc de și . Atunci pentru pătratul mediu al proiecției vitezei obținem:
adică, pătratul mediu al proiecției vitezei este egal cu 1/3 din pătratul mediu al vitezei în sine. Factorul 1/3 apare din cauza tridimensionalității spațiului și, în consecință, a existenței a trei proiecții pentru orice vector.
Vitezele moleculelor se modifică aleatoriu, dar pătratul mediu al vitezei este o valoare bine definită.
6. Ecuația de bază a teoriei cinetice moleculare
Să trecem la derivarea ecuației de bază a teoriei cinetice moleculare a gazelor. Această ecuație stabilește dependența presiunii gazului de energia cinetică medie a moleculelor sale. După derivarea acestei ecuaţii în secolul al XIX-lea. iar dovada experimentală a validității sale a început dezvoltarea rapidă teoria cantitativă, care continuă până în zilele noastre.
Dovada aproape oricărei afirmații din fizică, derivarea oricărei ecuații se poate face cu diferite grade de rigoare și convingere: foarte simplificată, mai mult sau mai puțin riguroasă, sau cu toată rigoarea disponibilă. stiinta moderna.
O derivare riguroasă a ecuației teoriei cinetice moleculare a gazelor este destul de complicată. Prin urmare, ne vom limita la o derivare schematică extrem de simplificată a ecuației. În ciuda tuturor simplificărilor, rezultatul va fi corect.
Derivarea ecuației de bază. Să calculăm presiunea gazului pe perete CD navă ABCD zonă S, perpendicular pe axa de coordonate BOU (Fig.8.13).
Când o moleculă lovește un perete, impulsul acesteia se modifică: . Deoarece modulul vitezei moleculelor la impact nu se modifică, atunci 
. Conform celei de-a doua legi a lui Newton, modificarea impulsului unei molecule este egală cu impulsul forței care acționează asupra ei din peretele vasului și, conform celei de-a treia legi a lui Newton, mărimea impulsului forței cu care molecula acționează asupra peretelui este același. În consecință, ca urmare a impactului moleculei, a fost exercitată o forță asupra peretelui, a cărei impuls este egal cu .
Să luăm în considerare modul în care proiecția forței de interacțiune rezultate dintre ele pe linia dreaptă care leagă centrele moleculelor se modifică în funcție de distanța dintre molecule. Dacă moleculele sunt situate la distanțe de câteva ori mai mari decât dimensiunile lor, atunci forțele de interacțiune dintre ele nu au practic niciun efect. Forțele de interacțiune dintre molecule sunt de scurtă durată.
La distanțe care depășesc 2-3 diametre moleculare, forța de respingere este practic nulă. Doar forța de atracție este vizibilă. Pe masura ce distanta scade, forta de atractie creste si in acelasi timp forta de repulsie incepe sa afecteze. Această forță crește foarte repede atunci când învelișurile de electroni ale moleculelor încep să se suprapună.
Figura 2.10 arată grafic dependența de proiecție F r forțele de interacțiune ale moleculelor asupra distanței dintre centrele lor. La distanta r 0, aproximativ egal cu suma razelor moleculare, F r = 0 , deoarece forța de atracție este egală ca mărime cu forța de repulsie. La r > r 0 există o forță de atracție între molecule. Proiecția forței care acționează asupra moleculei potrivite este negativă. La r < r 0 există o forță de respingere cu o valoare de proiecție pozitivă F r .
Originea forțelor elastice
Dependența forțelor de interacțiune dintre molecule de distanța dintre ele explică apariția forței elastice în timpul compresiei și întinderii corpurilor. Dacă încercați să apropiați moleculele de o distanță mai mică de r0, atunci începe să acționeze o forță care împiedică apropierea. Dimpotrivă, atunci când moleculele se îndepărtează unele de altele, acționează o forță atractivă, readucerea moleculelor în pozițiile inițiale după încetarea influenței externe.
Cu o mică deplasare a moleculelor din pozițiile de echilibru, forțele de atracție sau de repulsie cresc liniar odată cu creșterea deplasării. Într-o zonă mică, curba poate fi considerată un segment drept (secțiunea îngroșată a curbei din fig. 2.10). De aceea, la deformații mici, se dovedește a fi valabilă legea lui Hooke, conform căreia forța elastică este proporțională cu deformația. La deplasări moleculare mari, legea lui Hooke nu mai este valabilă.
Deoarece distanțele dintre toate moleculele se modifică atunci când un corp este deformat, straturile învecinate de molecule reprezintă o parte nesemnificativă a deformării totale. Prin urmare, legea lui Hooke este îndeplinită la deformații de milioane de ori mai mari decât dimensiunea moleculelor.
Microscop de forță atomică
Dispozitivul unui microscop de forță atomică (AFM) se bazează pe acțiunea forțelor de respingere între atomi și molecule la distanțe scurte. Acest microscop, spre deosebire de un microscop tunel, vă permite să obțineți imagini ale suprafețelor care nu conduc curentul electric. În loc de vârf de wolfram, AFM folosește un mic fragment de diamant, ascuțit la dimensiunea atomică. Acest fragment este fixat pe un suport metalic subțire. Pe măsură ce vârful se apropie de suprafața studiată, norii de electroni ai diamantului și atomilor de suprafață încep să se suprapună și apar forțe de respingere. Aceste forțe deviază vârful vârfului de diamant. Abaterea este înregistrată cu ajutorul unui fascicul laser reflectat de o oglindă montată pe un suport. Fasciculul reflectat conduce un manipulator piezoelectric, similar cu manipulatorul unui microscop tunel. Mecanismul de feedback asigură că înălțimea acului cu diamant deasupra suprafeței este astfel încât îndoirea plăcii suport să rămână neschimbată.
În Figura 2.11 vedeți o imagine AFM a lanțurilor polimerice ale aminoacidului alaninei. Fiecare tubercul reprezintă o moleculă de aminoacid.
În prezent, au fost proiectate microscoape atomice, al căror design se bazează pe acțiunea forțelor moleculare de atracție la distanțe de câteva ori mai mari decât dimensiunea unui atom. Aceste forțe sunt de aproximativ 1000 de ori mai puține decât forțele de respingere din AFM. Prin urmare, se folosește un sistem sensibil mai complex pentru înregistrarea forțelor.
Atomii și moleculele sunt formate din particule încărcate electric. Datorită acțiunii forțelor electrice pe distanțe scurte, moleculele sunt atrase, dar încep să se respingă atunci când învelișurile de electroni ale atomilor se suprapun.