Chuyển động Brown và hiện tượng khuếch tán phân tử

Phương trình / Quy luật áp dụng: Chuyển động Brown = Chuyển động hỗn loạn của hạt lơ lửng

Giải thích chuẩn SGK: Chuyển động hỗn loạn, không ngừng của các hạt rất nhỏ lơ lửng trong chất lỏng (hoặc chất khí) được gọi là chuyển động Brown; năm 1827 nhà bác học Brown lần đầu tiên quan sát hiện tượng này dưới kính hiển vi. Các hạt này rất nhỏ, mắt thường không nhìn thấy được mà phải dùng kính hiển vi có độ phóng đại lớn, hình ảnh có thể truyền qua màn hình hiển thị (SGK tr.3–4).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Chuyển động Brown là chuyển động của các hạt nhỏ lơ lửng, không phải là chuyển động của bản thân các phân tử (Bài tập 3 ý (1)(2) SGK tr.6).

Phương trình / Quy luật áp dụng: Δt = 30 s (SGK tr.4)

Giải thích chuẩn SGK: Cứ cách đều 30 s lại đánh dấu vị trí của hạt một lần, sau đó dùng các đoạn thẳng nối lại theo đúng thứ tự thời gian thì thu được đường gấp khúc như Hình 1.1-4 SGK. Đường gấp khúc này không phải là quỹ đạo chuyển động thực của hạt — SGK tr.4 khẳng định rõ: “Ngay cả trong khoảng thời gian 30 s đó, chuyển động của hạt cũng vô cùng hỗn loạn”.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Đường gấp khúc chỉ là đường nối các vị trí cách nhau mỗi 30 s chứ không phải quỹ đạo thực của hạt (Bài tập 4 SGK tr.6).

Phương trình / Quy luật áp dụng: ⟨r²⟩ = 4Dt

Giải thích chuẩn SGK: Bình phương độ dịch chuyển trung bình tỉ lệ thuận với thời gian (⟨r²⟩ = 4Dt, hình chiếu hai chiều; thuộc phần mở rộng nâng cao L3), do đó độ dịch chuyển căn quân phương chỉ tăng tỉ lệ với √t, còn tổng chiều dài đường gấp khúc tăng tỉ lệ với t — không được nhầm lẫn ba đại lượng này.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: ⟨r²⟩ tỉ lệ thuận với t, độ dịch chuyển căn quân phương tỉ lệ thuận với √t; tổng chiều dài đoạn nối tỉ lệ thuận với t.

Phương trình / Quy luật áp dụng: δ = 1/√N

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr.4 giải thích: Hạt càng nhỏ thì tại một thời điểm số phân tử chất lỏng va chạm vào nó càng ít, sự mất cân bằng giữa các lực va chạm từ các phía biểu hiện càng rõ rệt; hơn nữa hạt càng nhỏ thì khối lượng càng nhỏ, trạng thái chuyển động càng dễ bị thay đổi — vì vậy chuyển động Brown càng rõ rệt. Phản ví dụ trong SGK: khi hạt quá lớn, các va chạm từ mọi hướng gần như triệt tiêu cân bằng nhau nên rất khó quan sát thấy chuyển động Brown.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Hạt lơ lửng càng nhỏ thì chuyển động Brown càng rõ rệt; khi hạt lớn thì các va chạm từ mọi phía gần như cân bằng nên rất khó quan sát (SGK tr.4).

Phương trình / Quy luật áp dụng: D = kT/(6πη(T)r) (mở rộng)

Giải thích chuẩn SGK: Thí nghiệm SGK tr.3 “Thay đổi nhiệt độ của huyền phù và lặp lại thao tác trên” đưa ra kết luận: nhiệt độ càng cao thì chuyển động của hạt than nhỏ càng rõ rệt; tr.4 khẳng định “Nhiệt độ là thước đo mức độ mãnh liệt của chuyển động nhiệt phân tử”. Về mặt định lượng (mở rộng), độ nhớt của chất lỏng giảm mạnh khi nhiệt độ tăng làm lực cản nhớt giảm xuống, nên D ∝ T/η(T) tăng tới 4.5807 lần, mạnh hơn nhiều so với tỉ số T đơn thuần (1.2730 lần). Lưu ý mô phỏng: bài học cho phép kéo nhiệt độ đến 100 ℃ để làm nổi bật xu hướng vật lý — trong thực tế nước ở 100 ℃ sẽ sôi và xuất hiện dòng đối lưu mạnh làm không thể quan sát ổn định chuyển động Brown dưới kính hiển vi.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Nhiệt độ càng cao chuyển động Brown càng mãnh liệt; nhiệt độ là thước đo mức độ mãnh liệt của chuyển động nhiệt phân tử (SGK tr.4).

Phương trình / Quy luật áp dụng: F = Σ fᵢ

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr.4 (Hình 1.1-5): Các phân tử chất lỏng chuyển động hỗn loạn không ngừng và liên tục va chạm vào hạt lơ lửng từ mọi phía; tại một khoảnh khắc hạt chịu tác dụng va chạm mạnh hơn từ một hướng nào đó, đến khoảnh khắc tiếp theo lại chịu tác dụng va chạm mạnh hơn từ một hướng khác, chính sự mất cân bằng tức thời đó đã gây ra chuyển động hỗn loạn của hạt. Chuyển động hỗn loạn của hạt lơ lửng không phải là chuyển động của phân tử, nhưng nó phản ánh gián tiếp tính hỗn loạn trong chuyển động của các phân tử chất lỏng.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Nguyên nhân của chuyển động Brown là do sự va chạm không cân bằng của các phân tử chất lỏng lên hạt lơ lửng; nó là bằng chứng gián tiếp của chuyển động hỗn loạn phân tử.

Phương trình / Quy luật áp dụng: ⟨r²⟩ = 4Dt (Trung bình thống kê)

Giải thích chuẩn SGK: Chuyển động Brown tuân theo quy luật thống kê: kết quả của một lần quan sát đơn lẻ biến thiên ngẫu nhiên rất lớn, chỉ khi lấy trung bình trên số lượng lớn các hạt (hoặc rất nhiều lần đo) thì ⟨r²⟩ mới ổn định. Hình 1.1-4 SGK vẽ ba hạt khác nhau với ba đường gấp khúc có hình dạng hoàn toàn khác nhau chính là để thể hiện tính chất này.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Độ dịch chuyển trong một lần quan sát đơn lẻ mang tính ngẫu nhiên; chỉ khi xét tập hợp lớn các hạt mới bộc lộ quy luật thống kê.

Phương trình / Quy luật áp dụng: c(x) ∝ exp(−x²/2w²)

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr.3 nêu rõ: Hiện tượng khuếch tán không phải do tác dụng từ bên ngoài (như đối lưu, trọng lực...) gây ra, cũng không phải là kết quả của phản ứng hóa học, mà sinh ra do chuyển động hỗn loạn không ngừng của bản thân các phân tử vật chất, và là một trong những bằng chứng trực tiếp chứng tỏ các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng; tr.4 nêu “Nhiệt độ càng cao thì sự khuếch tán diễn ra càng nhanh” — cùng một thời điểm quan sát, bề rộng khuếch tán ở 100 ℃ lớn gần gấp đôi so với ở 20 ℃, trong khi chiều cao đỉnh giảm còn một nửa: diện tích dưới đường cong được bảo toàn (bảo toàn lượng chất), nên đỉnh thấp xuống thì bề rộng trải ra.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Hiện tượng khuếch tán là bằng chứng trực tiếp của chuyển động hỗn loạn phân tử; nhiệt độ càng cao khuếch tán càng nhanh; không cần ngoại lực tác dụng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: ⟨r²⟩ = 4Dt ≥ 2000 μm²

Giải thích chuẩn SGK: Tăng nhiệt độ hoặc giảm kích thước hạt đều làm ⟨r²⟩ tăng lên: ở 20 ℃ và 0.5 μm thì ⟨r²⟩ = 512.3 μm², khi tăng lên 100 ℃ với cùng hạt đó thì đạt 2346.6 μm²; còn nếu giảm bán kính từ 0.5 xuống 0.2 μm ở 20 ℃ thì đạt 1280.7 μm² (kết hợp tăng nhiệt độ sẽ còn lớn hơn nữa). Kết luận trong SGK “nhiệt độ càng cao, hạt càng nhỏ thì chuyển động Brown càng rõ rệt” được cụ thể hóa thành mục tiêu định lượng tại đây.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Tổng hợp: Ảnh hưởng của nhiệt độ và kích thước hạt đến chuyển động Brown, cùng sự phân biệt giữa “một lần đo đơn lẻ ≠ giá trị thống kê”.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Các hạt than nhỏ lơ lửng. Chú thích SGK tr.4: Chuyển động hỗn loạn của các hạt lơ lửng không phải là chuyển động của bản thân các phân tử, nhưng nó phản ánh gián tiếp tính hỗn loạn trong chuyển động của các phân tử chất lỏng.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Không chứng tỏ được, vì đó là dòng nước chuyển động (đối lưu) do đun nóng. Sự cuộn lộn nhào của hạt tiêu là do dòng đối lưu (tác dụng vĩ mô bên ngoài) chứ không phải do va chạm phân tử không cân bằng; chuyển động Brown chỉ quan sát được đối với các hạt vi mô lơ lửng dưới kính hiển vi độ phóng đại lớn (Bài tập 3 ý (3) SGK tr.6).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Các phân tử dầu hỏa đang chuyển động hỗn loạn. Chuyển động Brown xảy ra được trong mọi chất lỏng và chất khí; điều được chứng minh ở đây là sự chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử môi trường chất lỏng (dầu hỏa) va đập vào hạt bụi, chứ không phải chuyển động của các phân tử nằm bên trong hạt bụi (Bài tập 3 ý (4) SGK tr.6).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Chỉ là đường nối các vị trí lấy mẫu, giữa hai điểm ghi hạt than vẫn chuyển động hỗn loạn. SGK tr.4: Ngay cả trong khoảng thời gian 30 s đó, chuyển động của hạt lơ lửng cũng vô cùng hỗn loạn — đoạn thẳng nối giữa hai điểm chỉ là đường nối hình học do không ghi liên tục quỹ đạo ở giữa (Bài tập 4 SGK tr.6).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Tại một thời điểm số phân tử va vào hạt càng ít nên sự va chạm càng mất cân bằng, đồng thời khối lượng hạt càng nhỏ nên trạng thái chuyển động càng dễ bị thay đổi. SGK tr.4 nêu rõ cả hai lý do này (số phân tử va chạm cùng lúc ít hơn gây mất cân bằng rõ hơn + khối lượng nhỏ hơn nên quán tính nhỏ hơn); nhiệt độ và độ nhớt là thuộc tính của môi trường chất lỏng.