Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Научно-исследовательская работа на тему "Определение средней квадратичной скорости молекул воздуха" (10 класс)
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 24 мая.

Подать заявку на курс
  • Физика

Научно-исследовательская работа на тему "Определение средней квадратичной скорости молекул воздуха" (10 класс)

библиотека
материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИОписание: Описание: Описание: Описание: р.bmp

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

ул. им. Г.Титова, 1, Волгоград, 400123 тел/факс (8442) 71-03-33 Е-mail: volg-ptk@mail.ru

ОКПО 02508493, ОГРН 1023402637565, ИНН/КПП 3442017140/ 344201001







Научно-исследовательская работа

«Определение средней квадратичной скорости

молекул воздуха»












Выполнил:

Студент группы Т-113

Волков Илья Владимирович,

Руководитель:

Преподаватель физики

Мельникова Ольга Павловна








Волгоград, 2014


Оглавление


























Введение

Согласно молекулярно-кинетической теории воздух рассматривается как совокупность большого количества молекул. У газообразных веществ расстояния между молекулами значительно больше самих молекул, взаимное притяжение очень мало, молекулы движутся в различных направлениях и с различной скоростью. При движении молекулы испытывают около нескольких миллиардов столкновений в секунду, меняя при этом направление и скорость.

Изучая раздел «Молекулярная физика», мы рассматривали тему о значениях средних квадратичных скоростях молекул газов. В частности утверждалось, что скорость молекул в воздухе приблизительно 500 м/с, скорость молекул водорода составляет около 2 км/с.

Получали эти значения двумя способами:

  • рассчитывали, используя формулу, где скорости молекул зависят от абсолютной температуры и молярной массы газов и считалось неправдоподобно большими, даже в конце 19-века;

  • скорости измерил Отто Штерн в 1920 году с помощью известного опыта и подтвердил предсказания и расчёты молекулярно-кинетической теории.

Средние скорости молекул превышают скорость звука и достигают сотен метров в 1 с. Эти скорости удалось измерить благодаря тому, что макроскопическому телу (цилиндру в опыте Штерна) можно сообщить столь большую угловую скорость, что за время пролета молекул внутри цилиндра он поворачивается на заметную величину.

Актуальность вопроса состоит в том, можно ли применить физический эксперимент, с использованием приборов из лаборатории физики для определения средней квадратичной скорости молекул воздуха и сравнить их со значениями, полученными с помощью классической формулы.


Цель работы: определение средней квадратичной скорости молекул.

Задачи:

  • Провести физический эксперимент;

  • Рассчитать среднюю квадратичную скорость, с помощью данных полученных при физическом эксперименте;

  • Рассчитать среднюю квадратичную скорость, с помощью классической формулы;

  • Сравнить полученные значения.

Предмет исследования: молекулярная физика.

Объект исследования: средняя квадратичная скорость молекул воздуха.





















I.Теория исследуемого вопроса


Интересен вопрос о скорости движения молекул газа. В газе царит полный хаос, молекулы движутся по всем направлениям с самыми разными скоростями.

Оказывается, что

  1. В газе есть молекулы с очень маленькими скоростями и с очень большими, но их сравнительно мало.

  2. Средняя проекция скорости на любое направление для всего газа равна 0 (иначе, в газе существовали бы потоки).

  3. Оказывается, у молекул есть средняя скорость (по модулю), которая зависит от температуры, и основная часть молекул имеет модуль скорости близкий к ней. Эту скорость мы не можем вычислить, но можем легко посчитать среднеквадратичную скорость движения молекул газа, которая отличается от средней скорости коэффициентом порядка 1.

Скорости молекул очень велики — порядка скорости артиллерийских снарядов — и несколько больше скорости звука в соответствующем газе. На первых порах такой результат вызвал замешательство среди физиков. Ведь если скорости молекул столь велики, то как объяснить, например, что запах духов, пролитых в комнате, распространяется довольно медленно; должно пройти несколько секунд, чтобы запах распространился по всей комнате. Однако объяснить этот факт оказалось довольно просто. Молекулы газа, несмотря на свои малые размеры, непрерывно сталкиваются друг с другом. Из-за большой скорости движения молекул число столкновений молекул воздуха в 1 с при нормальных атмосферных условиях достигает нескольких миллиардов.

Определение.

Средней квадратичной скоростью молекул называют корень квадратный из среднего значения квадрата скорости: hello_html_74bdad2c.gif) = (hello_html_4c3b85e7.gif). Среднее значение квадрата скорости можно найти из выражения (hello_html_m317116b5.gif) =hello_html_168a32d9.giff hello_html_m688b0847.gif du, где,

f hello_html_m688b0847.gif = hello_html_291af0a4.gif — функция распределения Максвелла по скоростям, m - масса молекулы, T - температура газа, υ - скорость молекулы, k - постоянная Больцмана, - интервал скоростей, в который попадает данное значение скорости υ . Проведя интегрирование, получаем: hello_html_58a3d4e1.gif = hello_html_m2b210c5a.gif.

Откуда, hello_html_660e422e.gif = hello_html_62a6163c.gif или hello_html_660e422e.gif = hello_html_m657a1cbc.gif (1)

Наиболее вероятная скорость - это скорость молекул соответствующая максимуму функции распределения молекул по скоростям hello_html_m54e620cf.gif = hello_html_35e6d374.gif = hello_html_m657a1cbc.gif

Сопоставляя выражения для скоростей, видим, что hello_html_m54e620cf.gif, hello_html_1060f517.gifи hello_html_660e422e.gifодинаковым образом зависят от температуры T и массы молекулы m (молярной массы газа M), отличаясь только числовым множителем:

hello_html_m54e620cf.gif: hello_html_52598c8c.gif= 1:1,13:1,22.

Из уравнения Клапейрона — Менделеева имеем

pV = hello_html_m66e98ecb.gif RT

R = hello_html_24f5c5b.gif

Подставив это значение в уравнение (1), получим:

hello_html_660e422e.gif= hello_html_m52dc066a.gif, (2)

где m - масса газа, p - его давление, V - объем.

Таким образом, для определения средней квадратичной скорости молекул газа достаточно знать его массу и объем, который занимает газ. Все эти величины можно определить экспериментальным путем.







II. Расчёт средней квадратичной скорости молекул:



  1. Экспериментальным путём.

Оборудование: стеклянный шар для определения массы воздуха, резиновая трубка, винтовой зажим, весы, насос, мензурка.

Перед началом опыта стеклянный шар открыт и давление воздуха в шаре равно атмосферному, которое можно определить при помощи барометра. С помощью электронных весов определяется масса стеклянного шара вместе с резиновой трубкой и винтовым зажимом. Затем с помощью насоса необходимо откачать из шара большую часть воздуха, повторно определить массу шара и по полученным результатам найти массу откачанного воздуха. Ту часть объема шара, который занимал воздух, можно определить, если дать возможность жидкости заполнить откачанный объем, для чего резиновую трубку опускают в сосуд с водой и ослабляют зажим. Затем при помощи мензурки определяется объем воды в шаре. Таким образом, зная объем V и массу m воздуха, а также первоначальное давление P , по формуле (2) можно определить среднюю квадратичную скорость молекул воздуха.

Порядок выполнения работы

1. Определите по барометру атмосферное давление.

2. При помощи весов определите массу шара с воздухом, резиновой трубкой и винтовым зажимом.

3. Откачайте при помощи насоса часть воздуха из шара, перекройте резиновый шланг зажимом, и еще раз определите массу шара с резиновой трубкой и винтовым зажимом.

4. Определите массу откачанного из шара воздуха.

5. Опустите конец резиновой трубки в сосуд с водой и ослабьте винтовой зажим. Вода заполнит часть объема шара, которую занимал откачанный воздух.

6. Определите объем воды в шаре при помощи измерительного сосуда (мензурки).

7. Подставьте найденные значения p , m и V в формулу (2) и вычислите величину hello_html_660e422e.gif.

8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:


п/п

p , Па

V , hello_html_6ff3bed3.gif

m , кг

hello_html_660e422e.gif, м/с

1

100641,5

0,05*hello_html_m6c28ec66.gif

0,084

423,9


hello_html_660e422e.gif= hello_html_29c4850f.gif = 423,9 м/с.



2. С помощью классической формулы

Посчитаем, например, среднюю скорость молекул газа в классной комнате:

T=294K (t=21C), М=0,029 г/моль(табличное значение). С учетом этого имеем:

hello_html_2e61bdcc.gif= hello_html_m8c01871.gif = hello_html_m28f364a6.gif = 502,7 м/с

Таким образом, скорости молекул очень велики — порядка скорости артиллерийских снарядов — и несколько больше скорости звука в соответствующем газе. На первых порах такой результат вызвал замешательство среди физиков. Однако объяснить этот факт оказалось довольно просто. Молекулы газа, несмотря на свои малые размеры, непрерывно сталкиваются друг с другом.




Заключение


Интересен вопрос о скорости движения молекул газа. В газе царит полный хаос, молекулы движутся по всем направлениям с самыми разными скоростями.

В результате проведённого экспериментального исследования и расчёта, выяснилось, что для определения средней квадратичной скорости молекул газа достаточно знать его массу и объем, который занимает газ.

Скорости молекул очень велики — порядка скорости артиллерийских снарядов — и несколько больше скорости звука в соответствующем газе.

Использовались в работе следующие формулы:


hello_html_m54e620cf.gif = hello_html_62a6163c.gif = hello_html_m1625e549.gif формула классическая формула

hello_html_660e422e.gif= hello_html_m52dc066a.gif формула для экспериментального расчёта

Были получены следующие результаты: 502,7 м/с и 423,9 м/с.

Результат эксперимента и классического расчёта отличается из-за того, что вероятны погрешности при использовании простейших физических приборов для измерения массы, объёма и атмосферного давления: стеклянный шар для определения массы воздуха, весы, насос, мензурка и барометр, термометр.

В исследовательской работе подтвердилось, что средние скорости молекул превышают скорость звука и достигают сотен метров в 1 секунду. 




Список используемой литературы



  1. Радченко И.В. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1965 -480c.

  2. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961. — 931с.

  3. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. 2-е изд. М.: Наука, 1976.

  4. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981. — 400 с.

  5. Резибуа П., Де Ленер М. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. Пер. с англ. М.: Мир, 1980.

  6. Телеснин Р. В. Молекулярная физика. 2-е изд. М.: Высшая школа, 1973.

  7. http://rudocs.exdat.com/

  8. http://gym1517.narod.ru/fizika/molekul.htm

  9. http://www.myshared.ru/slide/578331/






 


Краткое описание документа:

Изучая раздел «Молекулярная физика», мы рассматриваем тему о значениях средних квадратичных скоростях молекул газов. В частности утверждается, что скорость молекул в воздухе приблизительно 500 м/с.

В результате проведенного экспериментального исследования и расчета, выяснилось, что для определения средней квадратичной скорости молекул воздуха достаточно знать его массу и объем, который он занимает .

В исследовательской работе подтвердилось, что средние скорости молекул превышают скорость звука и достигают сотен метров в 1 секунду.

Ход исследования и расчеты представленны в презентации.

 

Автор
Дата добавления 18.11.2014
Раздел Физика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров522
Номер материала 130535
Получить свидетельство о публикации

Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх