Перспективы молекулярной физики

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Перспективы молекулярной физики

Горячева М.Р. 1
1МБОУ СОШ № 2
Горячева О.Н. 1
1МБОУ СОШ №2 ст. Суворовской Предгорного МО Ставропольского края
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

I.Введение

Физика, это наука, которая пронизывает все аспекты нашей жизни и обладает огромным значением, как для обычного взрослого человека, так и для школьников. Физика не ограничивается теориями и формулами, она является ключом к пониманию мира, который нас окружает. Почему физика имеет такое важное значение.

Первоначально, физика дарит нам понимание многих повседневных явлений. Почему небо голубое? Как работают лампочки? Почему яблоко падает на землю? Ответы на эти вопросы лежат в области физики. Наше знание физики позволяет нам не только объяснить эти явления, но и применить их в практике. Не ограничиваясь применением в повседневной жизни, физика также является фундаментальной частью нашего понимания вселенной. Она помогает нам исследовать движение планет, понимать процессы в ядрах звезд, исследовать свойства атомов и молекул. Это позволяет нам расширить горизонты знаний и углубить наше понимание окружающего мира. Физика играет ключевую роль в формировании критического мышления. Изучающие физику учатся анализировать информацию, проверять гипотезы и проводить эксперименты. Эти навыки необходимы не только в учебе, но и в повседневной жизни.

Кроме того, физика способствует развитию технологий. Стремительный прогресс в научных исследованиях и разработках в области физики приводит к созданию новых и улучшению существующих технологий. Многие из наших повседневных гаджетов и устройств, таких как смартфоны и компьютеры, базируются на принципах физики.

Однако физика не ограничивается только Землей. Она позволяет нам исследовать далекие уголки Вселенной. Научные экспедиции и космические миссии основаны на физических законах, и благодаря этим исследованиям, мы расширяем наши знания о космосе и нашем месте в нем.

В организме человека многое подчиняется законам физики. Работа сердечно- сосудистой системы, двигательной системы организма, перистальтика желудка, кишечника, зрительного и слухового аппаратов, сокращение лёгких и т.д.- физика.

Изобретения в медицине, спасающие жизни людям и тут не обошлось без знания законов физики - это рентген, лучевая терапия, искусственный клапан сердца, дефибриллятор, и т.д.

Как жить без знаний законов физики я не знаю, если только интуитивно.

Физика непосредственно связана со всеми явлениями нашей жизни, поэтому важно овладеть хотя бы базовыми знаниями.

Актуальность

Я свой проект построила на знаниях молекулярной физики

Молекулярная физика - одна из самых интересных и важных областей научных знаний, которая изучает свойства и поведение молекул, атомов и других мельчайших частиц, составляющих вещество.

Молекулярная физика изучает закономерности поведения молекул и атомов в различных физических процессах, таких как фазовые переходы, диффузия, осмос, адсорбция и многие другие. Она также исследует взаимодействия между молекулами и влияние этих взаимодействий на макроскопические свойства веществ.

Одно из ключевых направлений молекулярной физики - кинетическая теория газов. Согласно этой теории, газ состоит из хаотически движущихся молекул, которые постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Эти столкновения определяют основные макроскопические свойства газа, такие как давление, температура и объем.

Другое важное направление - статистическая физика, которая изучает статистические закономерности поведения больших ансамблей частиц. Она позволяет связать микроскопические свойства системы (атомов и молекул) с ее макроскопическими характеристиками, такими как температура, давление и энергия.

Молекулярная физика также тесно связана с квантовой механикой, которая описывает поведение микрочастиц на основе законов квантовой физики. Знание квантово механических свойств атомов и молекул помогает понять многие явления, такие как химические реакции, спектры излучения, сверхпроводимость и многое другое.

Одним из ключевых методов исследования в молекулярной физике является компьютерное моделирование. С помощью мощных вычислительных ресурсов можно создавать виртуальные модели молекулярных систем и изучать их поведение в различных условиях. Это позволяет исследовать процессы, которые сложно или невозможно наблюдать экспериментально.

Знания, полученные в этой области, используются во многих сферах, таких как химия, биология, материаловедение, энергетика, медицина и многие другие. Например, молекулярная физика лежит в основе таких технологий, как нанотехнологии, квантовые вычисления, создание новых материалов с заданными свойствами и многое другое.

Цель: Детализировать понимание молекулярных процессов и их влияния на макроскопические свойства материалов в различных условиях.

Задачи:

1. Исследовать движение и взаимодействие молекул и атомов

2. Выявить закономерности, обеспечивающие нормальное функционирование веществ в различных условиях.

Продуктом проекта являются экспериментальные исследования в молекулярной физике и термодинамике, которые путем измерений, косвенных вычислений, расчетов доказывают соответствие практики и теории физических законов.

II. Основная часть

  1. Теоретические основы

Физика - одна из важнейших отраслей естествознания – опытная наука.

Молекулярная физика зародилась в XIX веке благодаря работам таких ученых, как Р. Броун, Д. Максвелл, Л. Больцман. Она изучает свойства вещества на микроуровне с точки зрения его молекулярно-кинетического строения. Термодинамика также сложилась в XIX веке на основе открытий Р. Клаузиуса, Дж. Джоуля, С. Карно. Эта наука исследует энергетические процессы в макросистемах, не заглядывая в их внутреннюю структуру. Основными понятиями молекулярной физики являются молекула, атом, их масса и размеры, тепловое движение частиц, внутренняя энергия. Термодинамика оперирует такими величинами, как теплота, работа, внутренняя энергия, энтропия, температура. Важнейшими законами молекулярной физики и термодинамики являются: Закон сохранения энергии Уравнение Менделеева-Клапейрона .

Наблюдение - это первый шаг для установлений закономерностей физических явлений. Научное наблюдение далеко не простая задача. Для выяснения закономерностей какого-либо физического явления надо уметь выделять наиболее важные его элементы и по возможности изменять условия, в которых протекает явление, т. е. перейти от простого наблюдения к эксперименту. Поэтому крайне важно найти количественные (поддающиеся измерению) характеристики явления. Надо установить, каким образом и с помощью, каких приборов мы будем измерять те или иные характеристики, и устанавливать количественные законы. Установление количественных законов, показывающих, как изменяются одни из измеряемых величин при изменении других, является одной из важнейших задач. Из всего вышесказанного ясно, какое значение имеет эксперимент для физической науки.

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью изучения курса физики. При их выполнении мы воспроизводим некоторые физические явления, учимся обращению с основными физическими приборами и методами измерений, приобретаем навыки ведения лабораторного журнала, построения графиков, оценки достоверности полученных результатов и оформления отчета.

Экспериментальные исследования в молекулярной физике и термодинамике путем измерений, косвенных вычислений, расчетов доказывают соответствие практики и теории физических законов.

В этом случае мы можем доказать, что да эти законы работают и мир устроен так как мы предполагаем. Казалось бы, зачем доказывать доказанное…

У ученых физиков постоянно возникает вопрос о том работают ли старые законы физики или их сейчас можно опровергнуть.? Нет, законы физики нарушены быть не могут. А вот наше представление о том, каковы эти законы, вполне может оказаться ошибочным или неполным. Такое в истории науки бывало множество раз и наверняка будет повторяться. Поэтому постоянная проверка, уточнение и расширение наших знаний - это и есть то, чем занимается наука.

Кроме того, в рамках молекулярной физики проводятся исследования с использованием молекул для проверки фундаментальных констант и изучения физики, выходящей за рамки Стандартной модели. Стандартная модель в физике — это теоретическая конструкция, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Несмотря на то, что Стандартная модель в настоящее время является наиболее успешной теорией физики элементарных частиц, она несовершенна. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.

ОсновныеположенияМКТгазов

Кинетическую теорию газов можно построить на основании некоторых общих представлений и ряда опытных фактов. Вначале рассмотрим идеальные газы, т.е. такие, для которых можно пренебречь силами межмолекулярного взаимодействия и размерами самих молекул.

Первое основное положение МК теории — полная хаотичность движения молекул. В газе любое направление для молекул равновероятно. Доказательство хаотичности движения молекул — броуновское движение.

Второе основное положение — пропорциональность средней скорости молекул корню квадратному из абсолютной температуры.

ЭтоположениевытекаетизопытовШтерна,которыеподтверждают,что

u.

Изопытамыполучаемтретьеположениекинетическойтеориигазов:

средние кинетическиеэнергии молекул разныхгазов,находящихсяпри одинаковой температуре, равны между собой, т.е.

mc2 mc2

1122,

22

гдеm1и m2—массымолекул,с1ис2—ихсредниеквадратичныескорости.

Эти величины могут быть легко найдены по значениям средних скоростей, определяемых в опыте Штерна, и другими способами.

Из равенства средних кинетических энергий газовых молекул следует, что при перемешивании различных газов, имеющих одинаковые температуры, не происходит преимущественной передачи энергии от молекул одного газа молекулам другого газа.

Для отдельных молекул различных газов, так же, как и для отдельных молекул одного и того же газа, при столкновениях происходит передача энергии; скорости отдельных молекул изменяются, но средние значения скоростей и энергий остаются неизменными, пока не изменится температура.

Итогом моей работы стало решение сложных физических задач, проведение измерений, вычислений, расчетов доказывающих существование ряда физических процессов, проведение экспериментов и записи результатов этих экспериментов. Я считаю, что таким образом я внесла свой вклад в развитие физики как науки.

Ниже я привела примеры решения задач данного блока.

Пример задачи

Идеальный газ сначала расширяется при постоянном давлении, затем нагревается при постоянном объёме, потом газ изотермически сжимается, после охлаждается при постоянном давлении и по изохоре возвращается в начальное состояние. Нарисуйте графики этого процесса в координатах   `p`, `V`; `V`, `T`; `p`, `T`.

Пример Задачи

Гелий массой `m=830` г находится в баллоне объёмом `V=50` л под давлением `p=10` МПа. Определить среднюю квадратичную скорость (м/с) и среднюю кинетическую энергию поступательного движения атома гелия `("He")`.Указание. Ответ для средней кинетической энергии поступательного движения атома гелия `("He")` получите в стандартной форме записи числа.

  1. Практическая работа

Понятно, что в домашних условиях, или в данный момент в школе я не могу заниматься экспериментальной частью науки. Но в этом мне помогает региональный центр для одаренных детей Сириус 26. Я побывала на 8- ми сменах Сириуса, одна из которых была посвящена изучению молекулярной физики. В Сириусе мы занимаемся в лабораториях, которые оборудованы современными измерительными приборами и где проходит экспериментальная часть наших занятий.

Изопроцессывгазах

Ниже представлены отчеты моей экспериментальной работы.

Изобарическийпроцесс(mиp= const)

Рис.1.Изобарическийпроцесс

При изобарическом процессе (рис. 1)

QdUpdV.

Р аботарасширениягаза

V

ApdVpV2V1.

Изохорическийпроцесс(mиV= const)

Так как V = const (рис. 18), то dV = 0, значит, никакой работы при этом процессе совершить нельзя. Поэтому А = 0 и δQ = dU.

Рис.2.Изохорическийпроцесс

Однако это не означает, что изохорический процесс не находит практического применения. Он может входить как составная часть всложный цикл, состоящий из нескольких процессов.

Изотермическийпроцесс(mиT= const)

Рис.3.Изотермическийпроцесс

Работаприизотермическомрасширенииидеальногогаза (рис.3)

V2V2mRTmV

 

ApdV

V1V1

dVRT V

ln2.

V1

То, что на графиках изображены прямые линии означает, что измерения произведены правильно и законы физики работают.

Поверхностное натяжение жидкости (коэффициент поверхностного натяжения жидкости) – это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в ньютонах, деленных на метр.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» – воды, ртути и жидких металлов).

Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг.

Экспериментальное доказательство наличия сил поверхностного натяжения

III. Заключение

В заключении хочу сказать, что мною была проделана большая работа по изучению молекулярной физики. Я изучала теорию данного раздела физики, решала сложные физические задачи, которые имеют практическое значение так как в большинстве своем являются прикладной частью физики. Их практическая направленность имеет большое значение в развитии ряда отраслей промышленности, развитии нанотехнологий и просто в быту.

Данной экспериментальной работой, вычислениями и измерениями, расчетами я доказала действие некоторых физических процессов, их соответствие теоретическим положениям, что отражено в графиках и отчетах.

Практическая значимость заключается не только в экспериментальных и теоретических исследованиях, но и в профориентационной составляющей моей работы. В процессе этой работы я определилась с направлением своей будущей деятельности. Это, конечно, физика. Я думаю, мой проект сподвигнет еще кого - либо заняться этой полезной деятельностью.

Я также приняла участие в олимпиадах по физике и математике. Это муниципальный этап, где я стала победителем по предметам физика и математика. Региональный этап, который принес мне призерство по физике. Я приняла участие в трех перечневых олимпиадах. Это «Физтех» МФТИ, «Росатом» НИЯУ МИФИ и олимпиада «Ломоносов» МГУ. Стала призером отборочного этапа каждой из этих олимпиад.

Мне довелось побывать на Проектной смене СКФУ, где изучалась физика, математика и алгоритмы создания разного рода проектов. А в августе 2025 года пройдя два отборочных тура я была приглашена на Проектную смену науки и технологий МГУ имени М.В. Ломоносова и Госкорпорации «Росатом», успешно освоила программу ПШНТ по специальности «Фундаментальная и прикладная физика».

Ну и соответственно я знаю о некоторых перспективах развития молекулярной физики в чем в будущем хочу принимать участие может быть уже в роли ученого. Это:

1.Использование молекул для квантовых вычислений. Дистанционное взаимодействие молекул открывает возможности для создания более мощных квантовых компьютеров и точного моделирования сложных материалов.

2.Моделирование фундаментальных сил в физике. Молекулы могут позволить моделировать более сложные квантовые взаимодействия, например, те, что участвуют в сильных и слабых ядерных силах, или в явлениях, которые ещё плохо изучены (высокотемпературная сверхпроводимость).

3.Развитие молекулярной электроники. Исследование механизмов самоорганизации отдельных молекул в организованные структуры поможет разработать технологию самосборки молекулярных электронных устройств.

4.Применение в медицине. Молекулярная физика позволяет понять процессы на молекулярном уровне, разрабатывать новые методы диагностики и лечения заболеваний.

Проект завершен. Но не все удалось выполнить. Свой проект, как исследовательскую работу, планировала разместить на страницах академического издательства «Научная артель». К данному времени работа проходит рецензирование. Надеюсь, что мои исследования примут во внимание, они пройдут апробацию и я увижу их в одном из научных журналов.

Использованные информационные источники

  1. https://zftsh.online/course/3320/zadachi-

  2. https://zftsh.online/?class=11

  3. https://educon.by/index.php/materials/phys

  4. https://mathus.ru/phys/

  5. Кикоин А. К., Кикоин И. К. «Молекулярная физика», М.: Наука, 1976;

  6. Сивухин Д. В. «Общий курс физики», Т. 2. «Термодинамика и молекулярная физика», М.: Наука, 1990;

  7. Матвеев А. Н. «Молекулярная физика», М.: Высшая школа, 1987;

  8. Гинзбург В. Л., Левин Л. М., Сивухин Д. В., Яковлев И. А. «Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика», под ред. Д. В. Сивухина, М.: Наука, 1988;

  9. Булкин П. С., Попова И. И. «Общий физический практикум. Молекулярная физика», под ред. А. Н. Матвеева и Д. Ф. Киселёва, М.: Изд-во МГУ, 1988.

  10. Сытин В. Г. «Молекулярная физика в жизни, технике и природе», СПб.: Издательство «Лань», 2016.

Просмотров работы: 25