1. Опишите опыт Штерна.
Опыт Штерна был предложен для измерения скоростей движения молекул. Внутри двух соосных цилиндров радиусами r и R на их оси расположена тонкая платиновая проволока, покрытая слоем серебра. При пропускании электрического тока проволока нагревается, и с её поверхности испаряются молекулы серебра. Воздух внутри цилиндров откачивают, чтобы не мешать движению молекул. Во внутреннем цилиндре делают тонкую прорезь, через которую проходит пучок молекул серебра. При неподвижных цилиндрах молекулы оседают на внутренней поверхности внешнего цилиндра, образуя узкую полоску серебра. При вращении цилиндров с угловой скоростью ω молекулы смещаются на угол α = ω * t, где t — время пролёта молекулы от прорези до внешнего цилиндра. Измерение угла смещения позволяет определить скорость молекул.
2. Почему угол смещения молекул при вращении цилиндров в опыте Штерна зависит от модуля скорости вылета молекулы серебра из прорези?
Угол смещения α зависит от времени пролёта молекулы t, которое определяется как t = (R - r)/v, где v — скорость молекулы. Поскольку α = ω * t, то угол смещения прямо пропорционален времени пролёта и, следовательно, обратно пропорционален скорости молекулы. Таким образом, чем больше скорость молекулы, тем меньше угол её смещения.
3. Почему при вращении цилиндров в опыте Штерна внутренняя поверхность большого цилиндра покрывается серебром неравномерно?
При вращении цилиндров молекулы серебра, вылетающие из прорези с разными скоростями, смещаются на разные углы. Молекулы с большей скоростью смещаются на меньший угол, а с меньшей скоростью — на больший. Это приводит к тому, что на внутренней поверхности внешнего цилиндра образуется неоднородное распределение серебра, отражающее распределение скоростей молекул.
4. Как изменяется вид кривой распределения Максвелла при изменении температуры газа?
При увеличении температуры газа кривая распределения Максвелла становится более широкой и смещается в сторону больших скоростей. Это связано с тем, что при повышении температуры увеличивается средняя кинетическая энергия молекул, и, следовательно, увеличиваются их скорости. Пик кривой становится ниже, так как молекулы распределяются по более широкому диапазону скоростей.
5. По часовой стрелке или против часовой стрелки вращались цилиндры, изображённые на рис. 208?
На рисунке видно, что жидкость внутри цилиндра сместилась влево, образовав наклонную поверхность. Это свидетельствует о наличии центробежной силы, возникающей при вращении цилиндра.
Такое распределение жидкости указывает на то, что цилиндр вращался против часовой стрелки. В этом случае жидкость из-за инерции отбрасывается к стенке и поднимается слева, а справа уровень понижается.
6 Какую скорость называют наивероятнейшей? Как она связана со среднеквадратичной скоростью хаотического движения молекул газа, находящегося в состоянии термодинамического равновесия?
Наивероятнейшая скорость — это скорость, с которой движется наибольшее количество молекул газа при данной температуре. Она определяется как максимум кривой распределения Максвелла. Наивероятнейшая скорость v_н связана со среднеквадратичной скоростью v_ск следующим образом: v_н = sqrt(2kT/m), v_ск = sqrt(3kT/m). Таким образом, наивероятнейшая скорость меньше среднеквадратичной скорости и составляет примерно 0.82 от неё.