По молекулярной физике и термодинамике

1 2 3 4 5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

ОБЩЕГО ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА

ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ и ТЕРМОДИНАМИКЕ

Основания молекулярно-кинетической теории.

Законы идеального газа.

Казань – 2013

УДК 530.10

ББК 22.36

Э 41

Печатается по рекомендации

Учебно-методической комиссии

Института Физики

Казанского (Приволжского) федерального университета

Составители:

доцент кафедры общей физики Захаров Ю.А.

доцент кафедры общей физики Ерёмина Р.М.

доцент кафедры общей физики Скворцов А.И.

старший преподаватель кафедры общей физики Яцык И.В.

старший лаборант кафедры общей физики Блохин Д.С.

Рецензент –

Методическое пособие «Экспериментальные задачи общего физического практикума по молекулярной физике и термодинамике. Основания молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа» предназначено для студентов естественно-научных специальностей университетов. Приводятся описания лабораторных работ физического практикума общего курса физики, раздел «Молекулярная физика и термодинамика», по теме «Основания молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа». В каждой работе даны подробные описания установок, ход выполнения работ и список вопросов для самостоятельной подготовки.

УДК 530.10

ББК 22.36

Э 41

ÓКазанский университет, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

212. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛЕКУЛ ГАЗА.. 12

2131. ЗАВИСИМОСТЬ ОБЪЁМА ГАЗА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ (ЗАКОН ГЕЙ-ЛЮССАКА) 16

2132. ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА ОТ ОБЪЕМА.. 19

ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ (ЗАКОН.. 19

БОЙЛЯ-МАРИОТТА) 19

2133. ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ 22

(ЗАКОН ШАРЛЯ) 22

214. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ C_P/C_V РАЗНЫХ ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРА ПО ИЗУЧЕНИЮ УПРУГОГО РЕЗОНАНСА ГАЗОВ.. 26

215. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА И ИЗОХОРИЧЕСКОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА.. 29

216. СКОРОСТЬ ЗВУКА В ГАЗАХ.. 34

Контрольные вопросы и дополнительные задания. 39

211. ИССЛЕДОВАНИЕ БРОУНОВСКОГО ДВИЖЕНИЯ

Введение

Английский ученый Броун (Brawn) обнаружил, что мельчайшие частички цветочной пыльцы, взвешенные в воде, находятся в состоянии непрерывного движения, не подчиняющегося на первый взгляд каким-либо закономерностям.

Эйнштейном и Смолуховским была выдвинута гипотеза, что движение броуновских частиц удовлетворяет уравнению

(1)

где m и r масса и радиус-вектор броуновской частицы, первое слагаемое в правой части представляет собой силу вязкого трения, действующую на частицу, а второе – случайную по величине и направлению силу давления со стороны прилежащих частей жидкости. При этом считалось, что частица находится все время на одной глубине, так что сила тяжести и сила Архимеда уравновешивают друг друга.

Решая это уравнение можно показать, что среднее значение квадрата перемещения <Dr2> шарообразной броуновской частицы прямо пропорционально времени Dt, за которое происходит это перемещение:

(2)

где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, h – вязкость жидкости, a – радиус частицы.

Соотношение (2) можно проверить экспериментально. Флуктуации давления на границе броуновской частицы легко объяснить с точки зрения молекулярно-кинетических представлений. Таким образом, справедливость уравнения (2) является косвенным свидетельством молекулярной структуры вещества.

Цель работы

Исследование броуновского движения. Экспериментальное подтверждение решения уравнения Эйнштейна–Смолуховского.

Решаемые задачи

ü Освоение техники наблюдения броуновского движения;

ü Наблюдение броуновского движения;

ü Знакомство с решением уравнения Эйнштейна–Смолуховского;

ü Экспериментальная проверка решения уравнения Эйнштейна–Смолуховского.

Техника безопасности

ü Внимание в работе используется стекло.

ü Будьте предельно аккуратны при работе с предметным и покровным стеклами;

ü Не прикасаться к оптической части микроскопа;

Экспериментальная установка

Приборы и принадлежности

ü Оптический микроскоп

ü Портативная видеокамера

ü ТВ-тюнер

ü Компьютер

ü Исследуемая жидкость

Рис. 1 Общий вид установки для наблюдения броуновского движения. (1) оптический микроскоп, (2) видеокамера, (3) ТВ-тюнер, (4) ноутбук

Увеличение всей системы определяется совокупным увеличением объектива и окуляра микроскопа, а также видеокамерой и размером экрана монитора. Оно зависит от настройки системы и может достигать нескольких тысяч крат. Конкретное значение увеличения указано на установке. ТВ-тюнер подключается через порт USB 2.0 к компьютеру и позволяет записать изображения с камеры в цифровом виде.

В качестве исследуемой жидкости используется сильно разбавленное водой свежее молоко. Этот раствор должен быть практически прозрачным с очень слабой замутненностью. Броуновскими частицами в этом случае являются микроскопические капельки жира. Молоко должно быть не прокисшим. При скисании молока в растворе кроме капелек жира начинают двигаться бактерии, имеющие собственные механизмы перемещения, что мешает проведению эксперимента.

Порядок выполнения работы

Подготовка установки к работе

1. Очистить предметное стекло микроскопа. Для этого протереть кусочком салфетки его поверхность с обеих сторон в промежутке между двумя приклеенными покровными стеклами, либо в имеющемся углублении. Приготовить покровное стекло и также очистить его.

2. Пипеткой нанести каплю раствора молока на предметное стекло в середину промежутка между приклеенными стеклами (или в углубление). Диаметр капли должен составлять примерно 7 - 8 мм, не более (см. рис. 2). Сразу аккуратно накрыть промежуток покровным стеклом. Если стекло не коснулось капли, то слегка придавить его сверху (например, сухой спичкой) до касания. При этом стараться не испачкать верхнюю поверхность покровного стекла. Капля должна одновременно касаться поверхностей предметного и покровного стекол (см. рис. 3).


Рис 2. Предметное стекло с раствором молока	Рис. 3. Сверху покровное стекло, снизу предметное стекло, раствор должен касаться обоих стекл.

3. Отодвинуть предметный столик от объектива микроскопа, вращая соответствующую ручку на корпусе микроскопа (см. рис. 4, стрелка указывает на ручку).

4. Осторожно поместить образец на предметный столик.

5. Включить электропитание осветителя микроскопа, видеокамеры и компьютера.

6. Открыть диафрагму осветителя. Ручку регулировки яркости осветителя поставить в среднее положение.

7. Двигая стекла с образцом, добиться попадания в просвечивающий пучок микроскопа.

8. Вплотную придвинуть образец к объективу, избегая соприкосновения объектива с покровным стеклом. Для этого наблюдать за промежутком между ними сбоку. ВНИМАНИЕ возможно продавливание покровного стекла окуляром микроскопа.

9. Плавно отодвигая предметный столик от объектива, получить резкое изображение крупных капелек жира. Они имеют сферическую форму с резкими очертаниями. Первоначально капельки располагаются во всей толще раствора, но постепенно всплывают к покровному стеклу и, оказавшись там, могут перемещаться только в горизонтальной плоскости. Необходимо настроиться на самый верхний слой частиц! Если на экране находится более 10-и частиц, то раствор молока оказался слишком концентрированным. Его необходимо разбавить и сменить образец в микроскопе.

10. Отрегулировать яркость и контрастность изображения с помощью ручек регулировки яркости и диафрагмы осветителя микроскопа. Яркость просвечивающего пучка должна быть по возможности минимальной, иначе раствор нагреется и быстро высохнет.

11. Прикрепить камеру к окуляру микроскопа.

12. Создать папку с именем группы в следующем каталоге D:\студент\

13. Запустить программу AVerTV6 (находиться на рабочем столе).

14. Добиться четкого изображения броуновских частиц при помощи объектива камеры. Если все частицы на экране упорядоченно перемещаются, подождать около 1 минуты до исчезновения этого течения.

Проведение измерений

1. Снять видео в программе AVerTV6 (кнопка «запись»). Время записи 50 сек.

2. Перенести из папки D:\студент\ видео в с созданную Вами папку

3. Закрыть программу AVerTV6.

4. Запустить программу VirtualDub (находится на рабочем столе)

5. Открыть ранее сохраненный видео файл в VirtualDub (Файл → открыть видео файл…)

6. Выбрать на экране активно перемещающуюся броуновскую частицу с диаметром D около 2-3 мм и вывести ее изображение в центр экрана перемещением предметного столика. Определить как можно точнее ее реальный радиус а с учетом увеличения Ω оптической системы: a =D/2Ω. Увеличение оптической системы указано на микроскопе. Определить также минимальный размер более крупной частицы, броуновское движение которой становится незаметным.

7. Преобразовать видео файлы в серию фотографий. Для этого в меню Файл выбрать команду Экспорт, а затем — команду Сохранить серию картинок. В окне Фильтр вывода картинок: формат имени файла для серий картинок, которые соответствуют различным частицам, поставьте различные префиксы, например латинские a, b и c. В окне Каталог для хранения картинок: выбрать D:\студент\группа\. Установить флажок в Выходной формат: на Windows BMP. Нажать ОК. Закрыть приложение VirtualDub. Файл→ Экспорт → сохранить серию картинок

8. Установить величину временного интервала между кадрами. Выставите частоту кадров. Частота кадров равная 0,16 соответствует временному интервалу между кадрами 5с.

9. Повторить действия пунктов 6-8 еще для других двух частиц.

10. По окончании измерений отключить электропитание установки. Вынуть и протереть предметное и покровное стекла и положить их в футляры.

Обработка результатов эксперимента.

1. Измерение изменения положения броуновской частицы с течением времени производится с помощью приложения «Измеритель» версия 1.0 ЗАО «1С». Для загрузки серии файлов с фотографиями необходимо выполнить команду Загрузить серию… в меню Файл. Далее в окне Открыть… выделить файлы соответствующие одной из частиц и нажать на кнопку Открыть. На экране появится изображение кадра под номером ноль. С помощью мыши и кнопок двойных стрелок в нижней части окна или стрелок перемещения на клавиатуре можно переходить от одного кадра к другому.

2. Нажатие «стрелкой» (кнопка ) на первую из кнопок позволяет создавать объекты «точка» в поле изображения. При переходе к следующему кадру, созданные объекты сохраняются. Зафиксируйте положение выбранной частицы в каждом кадре объектом «точка» начиная с кадра под номером 1.

3. Далее, необходимо для полученной совокупности положений частицы выявить наличие или отсутствие постоянной действующей силы и выбрать систему отсчета. Если траектория частицы вытянута вдоль некоторой прямой, то такое поведение могло быть обусловлено действием постоянной силы. Эта сила, например, может быть вызвана небольшим наклоном предметного столика. Направим вдоль этой прямой ось Y декартовой системы координат. В уравнении Энштейна-Смолуховского постоянная сила не учитывается, поэтому измерять перемещения можно только вдоль оси X перпендикулярной Y.

4. Если траектория частицы не имеет ярко выраженного направления оси системы координат можно ориентировать произвольно и определять перемещения вдоль любой из этих осей. Для создания система координат на рабочее поле нажимаем на кнопку , затем щелкаем левой кнопкой мыши на рабочем поле. Появляется декартова система координат и мерный отрезок. При нажатой кнопке перемещаем и ориентируем необходимым образом систему координат. 100 мкм соответствует 72 мм на экране. Поэтому, для задания масштаба, при нажатой кнопке , удлиняем мерный отрезок до 72 мм. Далее фиксируем длину мерного отрезка 0.1 мм в окнах «Мерный отрезок». При нажатии кнопки «Показать таблицу» выводится окно с таблицей на передний план. Далее выбираем вкладку «Точки». Таблица содержит координаты каждой точки.

5. Для отчета необходимо сохранить изображение на экране. Для этого воспользуйтесь командой Экспорт изображения в меню Файл. С помощью команды Содержимое экрана с отрезками на фотографии можно сохранить на жестком диске в виде графического файла, а таблицу экспортировать в Excel. Обе операции можно выполнить с помощью вкладки Файл – Экспорт изображения и Экспорт таблиц в Excel.

6. Далее необходимо измерить изменение координаты X за время

D t = 5с D x (D t) = x _n₊₁- x _n,

2D t = 10с D x (2D t) = x _n₊₂- x _n,

3D t = 15с D x (3D t) = x _n₊₃- x _n,

где x _i координата частицы, x _n одна из этих координат, выбранная произвольно.

7. Вычислить среднеквадратичные значения проекций перемещений частицы на ось X для трех промежутков времени по формулам:

где m – число перемещений.

8. Построить график зависимости среднеквадратичного перемещения частицы от времени . Экспериментальным доказательством справедливости закона Эйнштейна-Смолуховского является линейность графиков.

Контрольные вопросы и дополнительные задания

1. Как оценить размер молекул?

2. Сколько молекул воды вытесняются наблюдаемой броуновской частицей?

3. Почему увеличение размера броуновских частиц приводит к замедлению их движения?

4. Как влияет изменение температуры на броуновское движение?

5. Понятие флуктуации. Флуктуации плотности и температуры.

6. Предположим, что броуновская частица является шаром радиуса 100 мкм. На половину поверхности частицы действует давление p ₁, а на другую половину p ₂. Какова должна быть разница p ₁– p ₂, чтобы за одну секунду частица сдвинулась на расстояние, равное ее радиусу? Вязким трением пренебречь. Оценить во сколько раз должна отличаться концентрация молекул для обеспечения такой разницы давлений?

7. Решение уравнения Эйнштейна–Смолуховского.

212. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛЕКУЛ ГАЗА

Введение

С точки зрения молекулярно- кинетической теории газ представляет собой совокупность отдельных микрочастиц (молекул, атомов, ионов). Для простоты можно считать их абсолютно твердыми шариками. Наблюдение броуновского движения частиц позволяет предположить, что молекулы находятся в непрерывном движении. Большая сжимаемость газов говорит о том, что молекулы газа находятся на большом расстоянии друг от друга. К кинематическим параметрам газа относятся: средняя длина свободного пробега молекул álñ (расстояние, которое пролетает молекула между двумя столкновениями), среднее эффективное сечение столкновения ásñ=0.25páDñ², где D – максимальное расстояние между центрами сталкивающихся молекул, при котором происходит изменении их скорости: эффективный диаметр молекулы). Средняя частота столкновений будет пропорциональна сечению столкновений. Если концентрация молекул равна n, а средняя скорость теплового движения молекул áuñ, то средняя частота столкновений ázñ равна:

В этой формуле учтено, что средняя относительная скорость движения молекул в больше средней скорости их движения áuñ.

Среднюю длину свободного пробега álñ можно получить, поделив средний путь, проходимый молекулой за единицу времени, на число столкновений за это же время. Так как путь, проходимый в единицу времени, численно равен скорости, то длина свободного пробега álñ равна:

На основании представлений молекулярно-кинетической теории газов, в случае справедливости распределения Максвелла по скоростям можно найти связь между динамической вязкостью h и этими параметрами: , где r - плотность газа. В состоянии равновесия, когда справедливо распределение Максвелла по скоростям, средняя скорость равна:

, где R - универсальная газовая постоянная, m - молярная масса газа. Таким образом, выражение для средней длины свободного пробега через макропараметры равно:

Т.е., измерив температуру, коэффициент вязкости, и зная молярную массу газа, можно вычислить длину свободного пробега, и далее, по формуле оценить среде сечение столкновения, учитывая, что .