Молекулы газа при своем движении постоянно сталкиваются. Скорость каждой молекулы при столкновении изменяется. Она может возрастать и убывать. Однако среднеквадратичная скорость остается неизменной. Это объясняется тем, что в газе, находящемся при определенной температуре, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется определенному статистическому закону. Скорость отдельной молекулы с течением времени может меняться, однако доля молекул со скоростями в некотором интервале скоростей остается неизменной.
Нельзя ставить вопрос: сколько молекул обладает определенной скоростью. Дело в том, что, хоть число молекул очень велико в любом даже малом объеме, но количество значений скорости сколь угодно велико (как чисел в последовательном ряде), и может случиться, что ни одна молекула не обладает заданной скоростью.
Задачу о распределении молекул по скоростям следует сформулировать следующим образом. Пусть в единице объема nмолекул. Какая доля молекул имеет скорости от v1 до v1 + Δv? Это статистическая задача.
Основываясь на опыте Штерна, можно ожидать, что наибольшее число молекул будут иметь какую-то среднюю скорость, а доля быстрых и медленных молекул не очень велика. Необходимые измерения показали, что доля молекул , отнесенная к интервалу скорости Δv, т.е. , имеет вид, показанный на рис. 3.3. Максвелл в 1859 г. теоретически на основании теории вероятности определил эту функцию. С тех пор она называется функцией распределения молекул по скоростям или законом Максвелла.
Аналитически она выражается формулой
,где m – масса молекулы, k – постоянная Больцмана.Установление этой зависимости позволило определить кроме уже известной среднеквадратичной скорости еще две характерные скорости – среднюю и наиболее вероятную. Средняя скорость – это сумма скоростей всех молекул, деленная на общее число всех молекул в единице объема.
Средняя скорость, подсчитанная на основании закона Максвелла, выражается формулой
или.Наиболее вероятная скорость – это скорость, вблизи которой на единичный интервал скоростей приходится наибольшее число молекул. Она рассчитывается по формуле:.Сопоставляя все три скорости:1) наиболее вероятную ,
2) среднюю ,
3) среднюю квадратичную , – видим, что наименьшей из них является наиболее вероятная, а наибольшей – средняя квадратичная. Относительное число быстрых и медленных молекул мало (рис. 3.4).
При изменении температуры газа будут изменяться скорости движения всех молекул, а, следовательно, и наиболее вероятная скорость. Поэтому максимум кривой будет смещаться вправо при повышении температуры и влево при понижении температуры. Высота максимума не будет оставаться постоянной. Дело в том, что площадь заштрихованной фигуры численно равна доле общего числа молекул n, которую образуют молекулы со скоростями в указанном интервале. Общая площадь, ограниченная кривой распределения и осью абсцисс (скоростей), таким образом, равна единице и не меняется при изменении температуры (рис. 3.5). Поэтому высота максимума и меняется при изменении температуры.
Кривые распределения молекул по скоростям начинаются в начале координат, асимптотически приближаются к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях. Слева от максимума кривые идут круче, чем справа. То, что кривая распределения начинается в начале координат, означает, что неподвижных молекул в газе нет. Из того, что кривая асимптотически приближается к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях, следует, что молекул с очень большими скоростями мало. Это легко объяснимо. Для того чтобы молекула могла приобрести при столкновениях очень большую скорость, ей необходимо получить подряд много таких столкновений, при которых она получает энергию, и ни одного столкновения, при котором она ее теряет. А такая ситуация маловероятна.
Объяснение:
Часть А
1. К понятию «физическое тело» относятся…
Г) будильник
2. Примерами механических явлений являются…
А) движение автомобиля
3. Перевести 125 см в систему СИ:
Б) 1,25 м
4. Одинаковы ли молекулы льда, воды, водяного пара?
А) одинаковы
5. Диффузия относится к понятию…
В) физическое явление
6. Примерами аморфных твердых тел являются…
Д) янтарь
7. Лед растопили, а часть полученной воды испарили. При этом молекулы…
В) оставались прежними
Часть В
8. Определите цену деления шкалы мензурки (рис). Укажите предел измерения. В мензурку была налита вода до уровня А. После погружения цилиндра в мензурку, вода поднялась до уровня В. Определите объем цилиндра.
Нет рисунка
9. Преобразуйте числа
а) Запиши число в стандартном виде:
Диаметр Солнца 1390000000 м = 1,39·10⁹ м
б) Запиши число в обычном виде
Инфузория-туфелька составляет 0,0002 м
10. Решите качественную задачу
(ответить на вопрос, основываясь на физических законах)
Можно ли сказать, что объем газа в сосуде равен сумме объемов его молекул? Поясните ответ.
Нет! Между молекулами существуют огромные (по сравнению с молекулами) расстояния.
Часть С
Решите задачу
11. Какой из двух измерительных линеек, с большей или меньшей ценой деления, можно более точно измерить длину? Почему?
С меньшей ценой деления.
