Идея атомизма. Фундаментальные взаимодействия - ВВЕДЕНИЕ - Поурочные разработки по физике к учебнику С. В. Громова - Физика - Поурочные планы к учебникам Г. Я. Мякишева, С. В. Громова и В. Л. Касьянова 10 класс - разработки уроков - авторские уроки - план-конспект урока

Цели: познакомить учащихся с гипотезой Демокрита; рассмотреть четыре «стихии» природы (фундаментальные взаимодействия).

Ход урока

I. Проверка домашнего задания

1. Что является предметом изучения физики?

2. Какой диапазон длин волн излучения, называемый световым, воспринимается глазом?

3. Что называют физическим законом?

4. В чем ценность фундаментальных законов?

5. В каком случае система обладает симметрией?

II. Вступительная беседа

Замечательный английский поэт и художник Уильям Блейк (1757-1827) в своем стихотворении «Изречение невинности» призывал:

В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир - в зерне песка,

В единой горсти - бесконечность

И небо - в чашечке цветка.

Оказывается, любая песчинка, - действительно, целая Вселенная, ибо включает в себя почти столько же мельчайших частиц, сколько звезд содержится во всей Метагалактике!

Из этих частиц состоит и камень, одиноко лежащий на обочине дороги, и маленький цветок, радующий нас своей естественной красотой, и пушистые облака, неторопливо плывущие по голубому небу.

Что лежит в основе всех вещей? Если в природе нет ничего, кроме атомов и пустоты, как считал Демокрит, то каким образом из них можно «сконструировать» эти вещи, причем так, что одни из них оказываются твердыми, другие - жидкими, а иные - газообразными?

Эксперимент

В сосуде с водой растворим маленькую крупинку синей гуаши. Через некоторое время вода в нем станет синей. Отольем немного окрашенной воды в другой сосуд и дольем в него чистую воду.

Раствор во втором сосуде будет окрашен слабее, чем в первом. Потом из второго сосуда снова отольем раствор уже в третий сосуд и дольем в него вновь чистой водой. В этом сосуде вода будет окрашена еще слабее, чем во втором.

Поскольку в воде растворили очень маленькую крупинку гуаши, и только часть ее попала в третий сосуд, то можно предположить, что крупинка состояла из большого числа мельчайших частиц.

III. Изучение нового материала

План

1. Гипотеза Демокрита.

2. Фундаментальные взаимодействия.

3. Великое объединение.

1. Еще в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые ученые высказывали предположение о строении вещества Греческий ученый Демокрит (460-370 до н. э.) считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. Была выдвинута атомистическая гипотеза. В соответствии с ней все в мире состоит из атомов, различающихся своей формой, порядком и ориентацией в теле; между атомами находится пустота.

По легенде идея о существовании атомов возникла у ее автора, когда он разрезал яблоко. До каких пор можно рассекать яблоко на части? Мысль о том, что существует предел такого деления, и побудила назвать мельчайшие (далее уже неделимые) частицы материи атомами. (В буквальном переводе с языка древних греков слово «атом» означает «неразрезаемый», «нерассекаемый».)

Но в наибольшей степени вторым рождением атомов человечество обязано английскому ученому Джону Дальтону (1766-1844), который впервые предпринял попытку количественного описания их свойств. Именно им было введено понятие атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных химических элементов.

Сегодня никто уже не сомневается в существовании атомов, однако реально существующие атомы оказались совсем не такими, какими их представлял Демокрит. Уже Больцман по этому поводу писал: «В неделимость атома не верит в настоящее время ни один физик».

Однако установить истинную структуру атома удалось лишь спустя пять лет после смерти Больцмана, когда на основе продолжительных и кропотливых экспериментов английский физик Эрнест Резерфорд (1871 -1937) пришел к выводу, что атом представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное электронной оболочкой.

Обнаружение этой структуры ознаменовало третье рождение атома. Так, из умозрительной гипотезы он превратился в реальную и осязаемую единицу материи.

Последующие эксперименты (1914-1932) показали, что атомное ядро состоит из тяжелых частиц: нейтронов и протонов. Протон и нейтрон являются сложными частицами, состоящими из трех кварков.

Элементарные частицы, подобно атомам, классифицируют по массе на две большие группы. Легкие образуют группу лептонов, тяжелые - группу адронов.

2. Издавна человек стремился познать и понять окружающий его физический мир. Оказывается, все бесконечное разнообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе очень малого количества фундаментальных взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Именно они являются теми «стихиями», которые движут небесными телами, порождают свет и делают возможной саму жизнь.

• Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее всеобъемлющим. Ему подвержены все материальные объекты без исключения - и микрочастицы, и макротела. Проявляется оно в виде всемирного тяготения.

Гравитация (от лат. gravitas - «тяжесть») управляет наиболее глобальными процессами во Вселенной, в частности обеспечивает строение и стабильность нашей Солнечной системы.

Согласно современным представлениям, каждое из взаимодействий возникает в результате обмена частицами, называемыми переносчиками этого взаимодействия. Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством обмена гравитонами.

• Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, по своей природе длиннодействующее: соответствующие силы могут проявляться на очень значительных расстояниях.

Электромагнитное взаимодействие описывается зарядами одного типа (электрическими), но эти заряды уже могут иметь два знака - положительный и отрицательный. В отличие от тяготения электромагнитные силы способны быть как силами притяжения, так и силами отталкивания.

Физические и химические свойства разнообразных веществ, материалов и самой живой ткани обусловлены именно этим взаимодействием. Оно же приводит в действие всю электрическую и электронную аппаратуру.

Теория электромагнитного взаимодействия в макромире называется классической электродинамикой.

• Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие - самое мощное из всех остальных. Ядерные силы, действующие между нуклонами в атомном ядре, - проявление этого взаимодействия. Здесь оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного. В отличие от последнего (а также гравитационного) сильное взаимодействие, во-первых, короткодействующее - соответствующие силы очень быстро убывают по мере увеличения расстояния между частицами. Во-вторых, его удается удовлетворительно описать только посредством трех зарядов (цветов), образующих сложные комбинации. Частицы, которым оно присуще, называют адронами.

• Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие менее известно за пределами узкого круга физиков и астрономов, но это нисколько не умаляет его значения. Достаточно сказать, что, если бы его не было, погасли бы Солнце и другие звезды, ибо в реакциях, обеспечивающих их свечение, слабое взаимодействие играет очень важную роль.

Слабое взаимодействие относится к короткодействующим: его радиус примерно в 1000 раз меньше, чем у ядерных сил.

3. Некоторые физики, в частности, Г. Джорджи и Ш. Глэшоу, предположили, что при переходе к более высоким энергиям должно произойти еще одно слияние - объединение электрослабого взаимодействия с сильным. Соответствующие теоретические схемы получили название Великого объединения. Согласно этой теории, объединяющей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное и гравитационное.

IV. Закрепление изученного

1. В чем состояла гипотеза Демокрита о строении вещества?

2. Как расположить в порядке возрастания интенсивности фундаментальные взаимодействия?

3. Какие фундаментальные взаимодействия являются краткодействующими?

4. Какие фундаментальные взаимодействия являются дальнодействующими?

5. Чему равен радиус краткодействующих и дальнодействующих фундаментальных взаимодействий?

6. Какие взаимодействия объединяет теория «великого объединения»?

V. Домашнее задание записи в тетради.

Дополнительный материал

Атом

О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н.э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает «неделимый», поэтому эти частицы назвали атомами.

Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н.э Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий - земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии - примитивной формы химии, господствовавшей до XVII века.

Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального изучения материи.

Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластинки-электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.

В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) - не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это, безусловно, ошибочная теория.

В 1911 г. Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.

Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.