Физика 8. Масса и размеры атомов и молекул

Главная мысль урока

Вещество состоит из частиц настолько малых, что увидеть отдельный атом обычным глазом невозможно. Однако размеры и массы частиц можно оценивать по наблюдаемым явлениям и расчётам.

Важно различать два утверждения:

• размер частицы показывает, насколько велик сам атом или молекула;
• масса частицы показывает, сколько вещества приходится на один атом или одну молекулу.

Насколько малы частицы

Типичный размер атома или молекулы имеет порядок:

Это примерно \(0{,}1\ нм\). Для сравнения: толщина человеческого волоса — около \(0{,}05\)–\(0{,}1\ мм\), то есть в сотни тысяч раз больше размера атома.

Молекулы разных веществ имеют разные размеры и форму. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а молекула кислорода — из двух атомов кислорода. Но в школьных оценках часто достаточно говорить о порядке величины: около \(10^{-10}\ м\).

Масса атомов и молекул

Массы отдельных частиц очень малы. Масса атома водорода имеет порядок:

Масса молекулы воды примерно в \(18\) раз больше массы атома водорода:

Такие числа неудобно записывать большим количеством нулей, поэтому используют стандартный вид числа \(a \cdot 10^n\), где \(1 \leq a < 10\).

Например:

Отрицательная степень десяти означает очень малую величину. Чем меньше показатель степени, тем меньше число: \(10^{-10}\) больше, чем \(10^{-12}\).

Почему мы не видим отдельные молекулы

Размер частицы слишком мал по сравнению с разрешающей способностью глаза. Но действие огромного числа частиц можно наблюдать непосредственно:

• запах распространяется по комнате из-за движения молекул;
• капля красителя постепенно смешивается с водой;
• воздух заполняет весь сосуд и оказывает давление;
• при испарении с поверхности жидкости уходят отдельные молекулы.

Наблюдая результат движения огромного числа частиц, физики делают выводы о строении вещества.

Оценка числа частиц в малом объёме

Даже в очень маленькой капле воды содержится колоссальное количество молекул. Пусть масса капли равна \(1\ г = 10^{-3}\ кг\), а масса одной молекулы воды примерно \(3 \cdot 10^{-26}\ кг\). Тогда число молекул можно оценить так:

Это не точный подсчёт состава конкретной капли, а оценка порядка величины. Она показывает, почему привычные явления являются результатом совместного действия огромного числа частиц.

Как рассказать тему на уроке

1. Начать с вопроса: «Можно ли разделить каплю воды на всё более мелкие части?» Подвести к представлению о частицах вещества.
2. Сравнить размеры: миллиметр, микрометр, нанометр. Записать \(1\ нм = 10^{-9}\ м\).
3. Показать, что размер атома имеет порядок \(10^{-10}\ м\), а масса — порядок \(10^{-27}\ кг\).
4. Объяснить стандартный вид записи числа на примерах \(3 \cdot 10^{-26}\) и \(1 \cdot 10^{-10}\).
5. Вместе оценить число молекул в капле массой \(1\ г\).
6. Обсудить, почему молекулы нельзя увидеть глазами, но можно обнаружить их движение по последствиям.

Небольшая безопасная демонстрация

Капните немного пищевого красителя в прозрачный стакан с водой и не перемешивайте. Наблюдайте, как цвет постепенно распространяется по воде.

Объяснение: молекулы воды и красителя непрерывно и хаотически движутся, поэтому частицы одного вещества проникают между частицами другого. Не используйте кипяток и неизвестные химические вещества.

Задания

1. Порядок величины

Расположите от большего к меньшему:

1. \(1\ мм\);
2. \(1\ мкм\);
3. \(1\ нм\);
4. \(10^{-10}\ м\).

2. Перевод единиц

Запишите в метрах:

1. \(1\ мм\);
2. \(1\ мкм\);
3. \(1\ нм\).

3. Объяснение наблюдения

Почему запах духов распространяется по комнате, хотя отдельные молекулы не видны?

4. Оценка числа молекул

Оцените число молекул в капле массой \(1\ г\), если масса одной молекулы примерно \(3 \cdot 10^{-26}\ кг\).

Итог урока

• Размер атомов и молекул имеет порядок \(10^{-10}\ м\).
• Масса отдельных частиц имеет порядок \(10^{-27}\)–\(10^{-26}\ кг\).
• Малые размеры и массы удобно записывать в стандартном виде.
• Наблюдаемые явления позволяют делать выводы о движении и количестве невидимых частиц.