Опис установки для вимірювань

Робота носить модельний характер. Роль молекул газу відіграють металеві або скляні кульки (1), насипані у комірку (2) (рис.1.4). Від джерела живлення (3) напруга подається на вібруючу пластину на дні комірки. Зміна величини напруги грає роль зміни температури газу. Джерело живлення вмикається за допомогою перемикача, розташованого на його задній панелі.

В

Рис.1.4

иміри кількості кульок, що імітують молекули газу, проводяться за допомогою лічильника (4), закріпленого на штативі (5). Він має П-подібну форму, на внутрішній поверхні якого є співвісні отвори, за якими знаходиться оптопара : діодні світловипромінювач та фотоприймач інфрачервоного випромінення. Кульки, рухаючись хаотично, перекривають промінь, що генерує світловипромінюючий діод, що призводить до переривання струму фотоприймача, сигнал з якого подається на електронний лічильний пристрій.

Оскільки більша кількість кульок пролітає поза променем лічильника, необхідно проводити підрахунок за достатньо великий проміжок часу та не менше 5 вимірів за сталих умов, щоб можна було усереднити отримане значення. Час, за який відбувається підрахунок кількості кульок лічильником, вимірюється секундоміром (6) або будь-яким таймером (наприклад, мобільного телефона).

Вказівки до виконання роботи

1. Виставити на джерелі живлення напругу, що відповідає вказаній на передній панелі температурі.

2. Користуючись шкалою на склі комірки, встановити лічильник на висоті 1-2 см від його дна. Переконатись, що обидва отвори оптопари розташовані на одній висоті.

3. Обнулити показання лічильника частинок кнопкою, розташованою на ньому.

4. Одночасно включити джерело живлення перемикачем на його задній панелі та таймер на проміжок часу не менше 30 с. Одночасно вимкнувши джерело і таймер, зафіксувати кількість кульок . Цю операцію повторити не менше 5 разів і визначити середнє значення.

5. Повторити операції 2-4 з кроком 1 см вгору до висоти, на якій ще реєструються кульки. Увага! Не забувайте встановлювати на нуль лічильник перед кожним виміром.

6. Виміри 1-5 повторити для 3-5 значень температури, визначених викладачем.

7. Побудувати графіки залежностей для різних значень температури. Із тангенса кута нахилу лінійної ділянки кожної залежності визначити сталу Больцмана . При розхрахунках вважати, що маса молекули 510^–20 кг.

8. Визначити похибку вимірів.

9. Порівняти отримане значення із довідниковими даними.

Контрольні запитання

1. Виведіть формулу Больцмана для розподілу молекул у полі потенціальних сил. Які обмеження накладаються при виведенні формули Больцмана?.

2. Що являє собою концентрація у формулі Больцмана для поля сили земного тяжіння?

3. Який фізичний зміст функції розподілу Максвелла молекул газу за абсолютними значеннями швидкості?

4. Чому молекули повітря не падають на Землю під дією сили земного тяжіння?

5. Як працює лічильник кульок, що імітують молекули газу?

6. Чому необхідно вимірювати кількість кульок за тривалий проміжок часу та повторювати їх не менше п’яти разів за сталих умов?

7. Поясніть методику визначення сталої Больцмана із використанням формули Больцмана для розподілу молекул у полі тяжіння?