Чтобы осознать, зачастую одних знаний бывает не достаточно. А опыт имеет один недостаток. Осознание наступает тогда, когда его результаты уже отразились на твоей биографии, судьбе твоих близких. Порою уже поздно что-либо изменить...
Лекции по психологии мы не любили. Во-первых не наш профиль. Для нас, студентов физмата, рассуждения о психике, моторике, эмоциях, уровнях сознания, воспринимались как пустая трата времени. Есть законы физики, математические модели, описания этих законов. Все остальное демагогия, слабых на интеллект, людей. Ведь ни один их постулат не обосновывался математически. Да, и вообще все это не нужно будет нам, будущим специалистам.
Читал их нам доцент кафедры психологии, соседнего университета. Мы, как правило занимались на его занятиях своими делами. Кто готовился к коллоквиуму по теме - «Обратные гиперболические функции». Кто писал реферат - «Уравнения первого порядка. Приближенные методы интегрирования. «Метод последовательных приближений Пикара».
Одни названия придавали самоуважение и снисходительность ко всему окружающему. Все, что выходило за рамки этих обсуждений - пустое времяпрепровождение. Иррациональное использование возможностей интеллекта!...
В этот раз он вошел в аудиторию неожиданно и как-то по-особому. В чем это выражалось, сказать было трудно. Но все указывало на его решительность и загадочность. Началось с паузы. Он внимательно взглядом прошелся по всем присутствующим. Да, и мы, все притихшие, смогли наконец-то, всмотреться в своего лектора. За бешеным темпом студенческой жизни, отношением к предмету, как-то не пришлось обратить внимание на его образ.
А он оказался необычным. Возраста был неопределенного. Для старика - слишком моложав, а для молодого - слишком умудрен. Взгляд был пронизывающий, особенно без очков. Очки придавали взгляду вид рассеянного человека. А он был всегда в очках. Одет был подчеркнуто по другому, чем всегда. Угадывалось его желание обратить на себя внимание.
Улыбнувшись куда-то внутрь, он начал,
-вундеркинды вы мои. Вы думаете я вас не понимаю? Сам когда-то был студентом. И кроме физики ничего не воспринимал. Математика была для меня скучным, нудным обременением. Вот физика! Это Мысль, реализованная в Опыте! Все начинается с нее. Уже потом математики начинают колдовать и думать, как же описать все это явление в виде формулы. А мы уже пошли дальше.
Но на определенном этапе, я понял, что все законы вне восприятия человеком, не имеют смысла. И «заболел» психологией. К сожалению программу утверждаю не я. Поэтому все лекции, как -бы скучными ни были, обязательны. Сегодня сделаем исключение. Я познакомлю вас с некоторыми последними разработками в этой области.
В основе коммуникаций человека лежит информация. Психика, в некотором роде, является продуктом, результатом воздействия информации.
Она пронизывает все материальное. Без ее участия не проходит ни один процесс. Атомы выстраиваются в кристаллическую решетку, снежинки обретают неповторимый, индивидуальный рисунок, элементарные частицы взаимодействуя между собой, составляют материю - все пронизано информационным обменом. Вот вы учитесь по учебникам. Слушаете лекции. Читаете труды, монографии, конспекты своих товарищей. Вся эта информация передается через посредство электромагнитных полей. Свет, звук, радиоволны, электромагнитные поля.
Недавно Лауреат Нобелевской премии Бриджмен, показал, что передача информации возможна не только через посредство электромагнитных полей, но и через искажение физического вакуума.
То есть не обязательно говорить словами, воздействовать иными видами полей. Обстановка в аудитории, состояние лектора, состояние слушателей, то есть вас, это тоже оказывает воздействие на вас, на вашу психику. А психика вещь интересная. Она воспринимает состояние окружающей обстановки. Впитывает это состояние, информацию о ситуации, помимо желания и воли ее обладателя. Насыщенная обсуждением и впечатлением лекция, несет двойное воздействие на слушателей.
Вы обращали внимание, что в благополучных семьях вырастают не благополучные дети. Как? Почему?
Опыт показывает, что там, где нет искренности, отсутствует уважение, понимание и терпимость, ни книги, ни образование, заменить этого не смогут.
Искривление физического вакуума, которое запоминает и тиражирует все негативные моменты, глубоко, на подсознательном уровне, селятся в душу этих детей. И наоборот, атмосфера любви, ласки и понимания членов семьи, уважение личности, позволяет формироваться человеку высокой культуры, высоких нравственных начал. Дают дорогу вдохновению, таланту, предчувствию.
Я бы посоветовал рассмотреть наш курс именно с этих позиций. Ведь вы молодые люди, одержимые тягой к познанию. Почему бы не использовать законы природы во благо себе. От атмосферы в аудитории, лаборатории, предприятии, семьи зависит не только количественный результат. Не менее важен и качественный.
И потом, воспитание в себе способности восприятия информации через искривление физического вакуума, способствует феномену Озарения. Озарение - это когда накопленная вами информация вдруг таинственным образом, помимо вашей воли, выстраивается в законченный логический континуум. То есть идею, мысль. Не обкрадывайте себя. А я вам помогу в этом. Ведь вы умницы, уж коль сидите в этой аудитории...
После этой лекции все пересмотрели свое отношений к предмету.
А вдруг научимся Озаряться?..
Суть данного метода заключается в том, что зарождающиеся в нижней части тигля с расплавом монокристаллы служат затравкой. Тигель опускается в более холодную зону печи. Нижняя часть тигля – коническая. Скорость выращивания – также несколько мм/час.
Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Стокаберга-Бриджмена: 1 - тигель с расплавом, 2 - кристалл, 3 - печь, 4 - холодильник, 5 - термопара, 6 - тепловой экран.
Метод Вернейля
Метод Вернейля реализуется путем просыпки маленьких порций порошковой шихты в трубчатую печь, где эта шихта расплавляется во время падения в кислородно - водородном пламени и питает каплю расплава на поверхности затравки. Затравка при этом вытягивается постепенно вниз, а капля пребывает на одном и том же уровне по высоте печи.
Преимущества :
отсутствие флюсов и дорогостоящих материалов тиглей;
отсутствие необходимости точного контроля температуры;
возможность контроля за ростом монокристалла.
Недостатки :
из-за высокой температуры роста кристаллы имеют внутренние напряжения;
стехиометрия состава может нарушаться вследствие восстановления компонентов водородом и испарения летучих веществ.
Скорость выращивания – несколько мм/час.
На рисунках показан принцип выращивания монокристаллов по методу Вернейля и установочное оборудование.
Метод зонной плавки
Зонная плавка заключается в прогонке зоны расплава по длине заготовки монокристалла, одновременно в зоне расплава концентрируются примеси и происходит очистка кристалла, конечную часть которого затем удаляют. Нагрев осуществляется индукционным, радиационно-оптическим или другим методом.
Схема устройства для зонной плавки: 1 - затравка, 2 - расплав, 3 – поликристаллический слиток, 4 – нагреватель (стрелкой показано направление движения нагревателя).
Система для индукционной зонной плавки германия Гидротермальное выращивание
Гидротермальный метод выращивания кристаллов используется для выращивания кристаллов, которые трудно или невозможно вырастить другими методами, так как наиболее близко имитирует процессы образования минералов в природе. В основе его лежит тот факт, что при высоких температурах (до 700 °С) и давлениях (до 3000 атм.) водные растворы солей способны активно растворять соединения, практически нерастворимые при нормальных условиях. Для гидротермального выращивания кристаллов используют специальные прочные стальные сосуды – автоклавы, способные выдержать такие экстремальные давления и температуры.
Наиболее распространенной является модификация гидротермального метода, называемая методом перекристаллизации в условиях положительного температурного градиента. Суть его заключается в следующем:
Н
а
дне автоклава, нагреваемого снизу и
охлаждаемого сверху, размещается
растворяемое вещество – шихта. Над ней
расположены затравки (пластины, выпиленные
по определенному направлению из кристалла
выращиваемого вещества). В автоклаве
создается разность температур (нижняя
зона более горячая), чему способствует
диафрагма – перегородка с отверстиями,
разделяющая верхнюю и нижнюю зоны.
Раствор циркулирует между гранулами
шихты, насыщаясь веществом выращиваемого
кристалла. Одновременно происходит
нагревание гидротермального раствора.
Горячий (и потому – более легкий) раствор
поступает в верхнюю часть автоклава,
где остывает.
Растворимость кристаллизуемого вещества с понижением температуры снижается, избыток растворенного вещества отлагается на затравки. Холодный высокоплотный обедненный раствор опускается в нижнюю часть автоклава и цикл повторяется. Процесс ведется до полного переноса вещества шихты на затравки. В результате этих процессов и растет кристалл. Скорость выращивания составляет от долей мм до нескольких мм в сутки. Выращиваемые монокристаллы обычно имеют высокое качество и характерную кристаллографическую огранку, т.к. растут в условиях более или менее близких к равновесным.
Схема
автоклава для гидротермального синтеза:
1
- раствор, 2 - криcталл, 3 - печь, 4 - вещество
для кристаллизации
(T
1
В основе МКТ лежат три важнейших положения:
- все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул, электронов, ионов);
- частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении (его часто называют тепловым движением);
- частицы вещества взаимодействуют друг с другом.
Формирование основных понятий статистической физики.
Макроскопические тела – это большие тела, состоящие из огромного числа молекул.
Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел.
Тепловое движение молекул – это беспорядочное и хаотическое движение молекул.
Возможность механического дробления веществ, растворение вещества в воде, диффузия, сжатие и расширение газов.
Диффузия – явление проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Броуновское движение мелких, взвешенных в жидкости частиц под действием ударов молекул
Для разрыва твердого тела необходимо некоторое усилие, в то же время твердые и жидкие тела трудно сжимаемы.
Капли жидкости, помещенные в непосредственной близости друг от друга, сливаются.
Опытное подтверждение МКТ.
Первое положение МКТ
1. Предположение о молекулярном строении вещества подтверждалось только косвенно. Поместим очень маленькую капельку масла на поверхность воды. Масляное пятно будет растекаться по поверхности воды, но площадь масляной пленки не может превышать определенного значения. Естественно предположить, что максимальная площадь пленки соответствует масляному слою толщиной в одну молекулу. Например, капелька оливкового масла объемом 1 мм
3 растекается по площади не более 1 м 2 . Отсюда следует, что размер молекулы масла порядка 10 -9 м.2. Ещё одно подтверждение — опыт Бриджмена: масло, налитое в стальной сосуд сдавливают под сверхвысоким давлением, и замечают, что капельки масла появились на стенках сосуда. Вывод: масло состоит из мельчайших частиц, которые смогли пройти через промежутки между частицами стального сосуда.
Второе положение МКТ доказывает явление диффузии — взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки другого вещества.
1. Убедиться в том, что молекулы движутся, можно совсем просто: капните капельку духов в одном конце комнаты, и через несколько секунд этот запах распространится по всей комнате. В окружающем нас воздухе молекулы носятся со скоростями артиллерийских снарядов - сотни метров в секунду.
Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.
2. В начале XIX-го века английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп частицы пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частицы пребывают в «вечной пляске». Причину так называемого «броуновского движения» поняли только через 50 лет после его открытия: отдельные удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга, если эта частица достаточно мала. С тех пор броуновское движение рассматривается как наглядное опытное подтверждение теплового движения молекул.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Основные положения молекулярно-кинетической теории
и их опытное подтверждение.
Цели урока:
1.Познакомить учащихся с основными положениями молекулярно- кинетической теории и их опытными подтверждениями.
2. Продолжить работу над развитием памяти, внимания, речи, мышления, интереса к физике через показ опытов.
3. Продолжить формирование воли, усидчивости, стремления к знаниям,
ответственного отношения к учёбе.
Тип урока : урок изучения нового материала.
Демонстрации: 1.Фрагмент видеофильма «Броуновское движение».
2.Диффузия в жидкостях и газах.
3.Взаимодействие частиц тела.
План урока:
- Изложение нового материала.
- Контрольные вопросы по изложенной теме.
- Решение качественных задач.
- Домашнее задание
План изложения нового материала: 1. Введение.
2. Историческая справка.
3. Основные положения МКТ.
Ход урока: (Слайд №1)
- Изложение нового материала .
1. Введение.
Мы живём в мире макроскопических тел. Механика изучает движение макроскопических тел – перемещение одних тел относительно других в пространстве с течением времени. Но она не в состоянии объяснить, почему существуют твёрдые тела, жидкости и газы и почему эти тела могут переходить из одного состояния в другое.
В механике говорят о силах, как о причинах изменения скорости, не выясняя природу этих сил. Остаётся непонятным, почему при сжатии тел появляются силы упругости, почему возникает сила трения. На эти и многие другие вопросы можно будет ответить, изучив раздел «Молекулярная физика».
После механического движения самые заметные явления связаны с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры. Эти явления называются тепловыми. Тепловые явления происходят внутри тел и всецело определяются тепловым движением частиц, из которых состоит это тело.
Значение тепловых явлений. Привычный облик нашей планеты существует и может существовать только в довольно узком интервале температур. Если бы температура превысила 100°С, то на Земле при обычном атмосферном давлении не было бы рек, морей и океанов, не было бы воды вообще, Вся вода превратилась бы в пар. При понижении температуры на несколько десятков градусов океаны превратились бы в ледники.
Ещё более узкие интервалы температур необходимы для поддержания жизни теплокровных животных. Температура животных и человека поддерживается внутренними механизмами терморегуляции на строго определённом уровне. Достаточно температуре повыситься на несколько десятых градуса, как мы чувствуем себя нездоровыми. Изменение же на несколько градусов ведет к гибели организма.
Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Так, при нагревании или охлаждении изменяются размеры тел и объёмы жидкостей. Значительно меняются механические свойства тел, например упругость, сопротивление электрическому току, магнитные свойства и др.
Все перечисленные выше и многие другие тепловые явления подчиняются определённым законам, которые мы будем изучать в разделе «Молекулярная физика». Начнём изучение раздела с темы «Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное подтверждение».
(Слайд №2) 2. Историческая справка.
МКТ объясняет тепловые явления, свойства тел на основе представления о том, что все тела состоят из хаотически движущихся частиц.
Историческая справка:
В V в до н. э. древнегреческим учёным Демокритом была выдвинута атомистическая гипотеза: всё в мире состоит из атомов; между атомами находится пустота. Аргументы в пользу учения Демокрита можно найти в в знаменитой поэме древнеримского поэта Лукруция Кара «О природе вещей»:
… одежда сыреет на морском берегу,
А на солнце она высыхает.
Однако видеть нельзя,
Как влага на ней оседает и как она исчезает.
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они для нашего глаза.
IV в. до н. э. Аристотель – отверг гипотезу Демокрита.
Через полторы тысячи лет после появления атомистической гипотезы в средневековой Франции издаётся указ о запрещении распространении учения об атомах под страхом смертной казни. Церковь уничтожает все ростки нового и прогрессивного, не укладывающиеся в систему религиозных представлений о мире.
Только в XVII в. начала развиваться последовательная молекулярно – кинетическая теория. Большой вклад в развитие этой теории был сделан великим русским учёным - М.В. Ломоносовым. Он объяснил основные свойства газа беспорядочным движением молекул. Впервые им была объяснена природа теплоты.
3. Основные положения МКТ.
В основе МКТ лежат три важнейших положения: (Слайд №3)
- все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул, электронов, ионов);
- частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении (его часто называют тепловым движением);
- частицы вещества взаимодействуют друг с другом.
4. Опытное подтверждение МКТ. (Слайд №4)
Первое положение
1. Предположение о молекулярном строении вещества подтверждалось только косвенно. Размеры молекул и атомов так малы, что различить их в обычный микроскоп невозможно. Поэтому даже в XIX-м веке многие ученые еще сомневались в существовании молекул. Сегодня техника достигла уровня, при котором можно рассмотреть даже отдельные атомы при помощи ионных и электронных микроскопов. Убедиться в существовании молекул и оценить их размер можно довольно просто. Поместим очень маленькую капельку масла на поверхность воды. Масляное пятно будет растекаться по поверхности воды, но площадь масляной пленки не может превышать определенного значения. Естественно предположить, что максимальная площадь пленки соответствует масляному слою толщиной в одну молекулу. Например, капелька оливкового масла объемом 1 мм 3 растекается по площади не более 1 м 2 . Отсюда следует, что размер молекулы масла порядка 10 -9 м.
2. Ещё одно подтверждение - опыт Бриджмена: масло, налитое в стальной сосуд сдавливают под сверхвысоким давлением, и замечают, что капельки масла появились на стенках сосуда. Вывод: масло состоит из мельчайших частиц, которые смогли пройти через промежутки между частицами стального сосуда.
Второе положение доказывает явление диффузии - взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки другого вещества.
1. Убедиться в том, что молекулы движутся, можно совсем просто: капните капельку духов в одном конце комнаты, и через несколько секунд этот запах распространится по всей комнате. В окружающем нас воздухе молекулы носятся со скоростями артиллерийских снарядов - сотни метров в секунду.
В жидкостях диффузия происходит медленнее. В стеклянный сосуд наливают водный раствор медного купороса. Этот раствор имеет темно-голубой цвет. Поверх раствора в сосуд очень осторожно, чтобы не смешать жидкости, наливают чистую воду. Медный купорос тяжелее воды и потому остается внизу сосуда. В начале опыта между двумя жидкостями видна резкая граница. Оставим сосуд в покое. Через несколько дней можно заметить, что граница раздела между жидкостями расплылась. А недели через две эта граница вообще исчезнет, и в сосуде будет находиться однородная жидкость бледно-голубого цвета. Итак, причиной диффузии является непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. При диффузии частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества, и вещества перемешиваются.
Медленнее всего диффузия происходит в твердых телах. В одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили одна на другую и сжали грузом. Через пять лет золото и свинец проникли друг в друга на 1 мм.
Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.
Диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Например, именно благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь человека, а из крови - в ткани.
2. В начале XIX-го века английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп частицы пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частицы пребывают в «вечной пляске». Причину так называемого «броуновского движения» поняли только через 50 лет после его открытия: отдельные удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга, если эта частица достаточно мала. С тех пор броуновское движение рассматривается как наглядное опытное подтверждение теплового движения молекул.
Внимание на экран. Посмотрите фрагмент видеофильма «Броуновское движение».
(Слайд №5)
Докажем третье положение.
(Слайд №6)
Поставим опыты.
1. Чтобы получить некоторое представление о величине сил взаимодействия между молекулами, попробуйте разорвать стальную или капроновую нить сечением 1 мм 2 . Немногие смогут это сделать, а ведь усилиям всего вашего тела «противостоят» силы притяжения молекул в малом сечении нити!
2. Если плотно прижать друг к другу свинцовые цилиндры с хорошо зачищенными торцами, они «сцепляются» настолько прочно, что к ним можно подвешивать килограммовую гирю (см. рисунок). Этот опыт также свидетельствует о наличии сил межмолекулярного притяжения.
Если бы молекулы не притягивались друг к другу, не было бы ни жидкостей, ни твердых тел - они просто рассыпались бы на отдельные молекулы. С другой стороны, если бы молекулы только притягивались, они «слипались» бы в чрезвычайно плотные сгустки, а молекулы газов при ударах о стенки сосуда «прилипали» бы к ним. Взаимодействие молекул имеет электрическую природу. Хотя молекулы, в целом, электрически нейтральны, распределение положительных и отрицательных электрических зарядов в них таково, что на больших расстояниях (по сравнению с размерами самих молекул) молекулы притягиваются, а на малых расстояниях - отталкиваются.
(Слайд №7)
На рисунке приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами, где F о и F п - соответственно силы отталкивания и притяжения, F - их результирующая. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения - отрицательными.
На расстоянии r = r о результирующая сила F = 0, т.е.силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг Друга. Таким образом, расстояние г 0 соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились а отсутствие теплового движения. При r г 0 преобладают силы отталкивания (F > 0), при r>r 0 - силы притяжения (F О). На расстояниях г > 10 -9 м межмолекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F →0).
(Слайд №8)
Ярким примером различного взаимодействия молекул является то, что вещество может находиться в различных агрегатных состояниях. Например: лёд, вода и водяной пар.
Лёд, вода и водяной пар состоят из одних и тех же молекул. Различие заключается в скорости молекул, их взаимном расположении и силах взаимодействия между ними.
- Ответьте на контрольные вопросы по изложенной теме.
(Слайд №9)
- Какова цель МКТ?
- Назовите основные положения МКТ.
- Перечислите известные вам доказательства существования молекул.
- В чём состоит явление диффузии?
- В чём состоит суть броуновского движения?
- Какие опыты доказывают, что между молекулами твёрдых и жидких тел действуют силы притяжения и отталкивания?
- Решите качественные задачи. (Слайд №10,11)
1. Почему запах только что пролитых духов обнаруживается в другом конце комнаты только через несколько минут, хотя скорость движения молекул при комнатной температуре составляет несколько сотен метров?
2. Две стеклянные пластинки трудно оторвать друг от друга, если между ними есть немного воды. Если же стёкла сухие, то они отделяются друг от друга без труда. Почему?
3. Почему полировка трущихся поверхностей может привести не к уменьшению трения, а, наоборот, к увеличению?
4. На чём основан процесс растворения сахара в воде?
5. Что можно сказать о размерах, составе и силах взаимодействия молекул одного и того же вещества в разных состояниях? Ответ пояснить.
6. Вода легко удаляется с чистой поверхности стекла. Удалить с той же поверхности жир практически невозможно. Как это объяснить с молекулярной точки зрения?
7. Чем объяснить, что пыль не спадает даже с поверхности, обращённой вниз?
8. Почему слышен хруст при разламывании прутика?
- Домашнее задание: § 57,58,60,61 Р.№ 450 - 453.
Приступив к экспериментальным работам по созданию высоких давлений в 1908 году, к 1933 году Перси Бриджмен с помощью своих приборов достиг давления 12 000 атмосфер (для сравнения: давление в стволе обычного ружья составляет сотни атмосфер).
Получив рекордные значения давления, он смог исследовать и описать:
Поведение жидкостей и твёрдых тел при гигантских давлениях (с учётом открытий других учёных, всего насчитывается 11 видов льда, часть из которых открыты именно Перси Бриджменом);
Изменение электрического сопротивление при гигантских давлениях и др.
Позже он создал аппарат, в котором доводил давление до 130 000 атмосфер при 1000 градусах.
В 1940 году Перси Бриджмену удалось получить синтетические кристаллы серного колчедана.
В 1946 году за комплекс проведенных исследований был удостоин Нобелевской премии по физике, цитируем: «за изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления, и за открытия, сделанные в связи с этим в физике высоких давлений».
Перси Бриджмен однажды заметил, что нетрудно получить новые результаты в физике, если вновь провести все известные эксперименты под сверхвысоким давлением. Необходимо отметить, что за исследование веществ при аномальных условиях получено ещё несколько Нобелевских премий другими учеными…