【實驗操作與現(xiàn)象】
(1)把約300粒鋼放入模擬箱內,使鋼大體鋪滿箱底層,再將布朗粒子(發(fā)泡塑料塊)放入,這時把浮動活塞插入并蓋上蓋板。在活塞桿上套帶孔的橡膠塞,用它調節(jié)并固定浮動活塞在定度上(般可在10—15cm度)。
(2)接通電源,振子鋼在振板的撞擊下(振子也相互碰撞)作混亂運動。調節(jié)電壓可使振子混亂運動激烈程度變化。這時,可以看到布朗粒子在鋼(分子)碰撞下不斷運動。由于布朗粒子形狀不規(guī)則,實驗中可看到布朗粒子邊轉邊移動,形成明顯的布朗運動。
2.氣體壓強統(tǒng)計意義的演示
(1)實驗原理
理論研究表明,氣體壓強可由分子對某面(如器壁)碰撞成的沖量變化求出,而每瞬間哪些分子碰撞器壁,碰撞時傳給器壁沖量的大小,都具有偶然性,因而反映大量分子碰撞沖量的統(tǒng)計平均(氣體壓強)有起伏。起伏的大小與分子數(shù)有關(起伏與1/n成比例),當分子密度n小時,其起伏就大;而分子數(shù)密度n大時,其起伏小。利用分子運動理論演示器就可以演示氣體壓強的這種統(tǒng)計意義。
(2)實驗操作
在方箱中裝幾十個振子,這時振板使少量振子振動成的壓強值就很不穩(wěn)定,實驗時我們看到浮動活塞上下起伏很大;當方箱中放入大量振子時,就會看到有個穩(wěn)定的壓強值,這時浮動活塞在大量振子的撞擊下處于某位置,起伏很小。
3.理想氣體狀態(tài)方程的演示
利用分子運動理論關于理想氣體模型的假設,可推導出理想氣體的狀態(tài)方程,即
或(74-1)
對于定質量(定或總分子數(shù)定)的理想氣體,從其狀態(tài)方程可知,當溫度定時,氣體壓強與分子數(shù)密度成正比。
在模擬箱中放入振子約300粒,即分子總數(shù)N=300個,如圖74-2所示。在電機額定轉數(shù)情況下,由于振板的撞擊成振子的混亂運動,產(chǎn)生定壓強(由浮動活塞的重量表示),這時可測得浮動活塞在位置;在電機額定轉數(shù)不變情況下,這相當于保證溫度恒定(即成的振子混亂運動激烈程度不變),用備制的砝碼將活動活塞重量增加倍,這時壓強變?yōu)?img src="http://www.wlxt.uestc.edu.cn/wlxt/ncourse/dxwlyssy/web/dxwlyssy/yanshishiyan/tupian/gongshi/74-9.gif" style="height:21px; width:24px" />,可測得浮動活塞在位置;當壓強為時,測得容積為。
由此可知,當壓強為時,相應的分子密度;當壓強為時,;當壓強為;可見,在溫度定(電機轉速定)時,壓強與粒子數(shù)密度成正比,即。
4.實際氣體狀態(tài)方程的演示
(1)實驗原理
對于鋼模型,實際氣體狀態(tài)方程可寫為:
(74-2)
式中為氣體質量,為氣體摩爾質量,為修正值,是鋼振子本身的體積。本演示儀可在電機額定率下(對應溫度定)通過實驗求得,從而演示實際氣體狀態(tài)議程。
(2)演示方法
在模擬箱中鋪滿層鋼振子(300粒),令電機在某額定轉速下,成浮動活塞在A位置,如圖74-2所示。保證電機額定轉速不變,用備制砝碼使浮動活塞加重倍,是活塞達到B位置。按理想氣體考慮,在溫度及粒子數(shù)定情況下,氣體壓強和體積之積為常量,即pV=常量
本實驗對應的情況是
則
圖74-2
而
故
依上所述計算,圖中C線上面的容積正是理想氣體分子活動的容積,而C線下到振板(居中位置)的容積則是實際氣體分子(鋼振子)本身有定體積所成的體積修正量。實驗測出的大小,再與鋼振子(粒)本身體積相比,計算結果表明:
( 74-3)
由此可見,考慮到分子本身體積的影響,實際氣體分子活動容積應為,這樣就演示了種氣體的狀態(tài)方程。
5.玻爾茲曼分布律的演示
(1)實驗原理
在重力場中理想氣體分子數(shù)密度按度服從玻爾茲曼分布律,即
(74-4)
(2)演示方法:
1)在模擬箱中放入振子300粒(或更多此),蓋好蓋板,并把分子數(shù)分離隔槽(多層插板)端頭插在有縫隙的箱擋板中。
2)調整電壓(般不太大,如5V)使振子振起來,這時大量振子在重力場中按度形成定分布。穩(wěn)定片刻后,迅速用手把多層插板插入模擬箱之中,此時振子就被分離隔槽分割在不同層里。關掉電源。
3)把方箱向右側傾斜,各層的振子鋼則在各自的隔槽中排布起來。
觀測各層粒子數(shù)的多少,從隔槽的*層起,畫曲線,可以看出該曲線隨著度按的負數(shù)衰減,從而演示了玻爾茲曼分布律。
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