Номер 3, страница 206 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 8. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Параграф 36. Тепловое движение молекул газа. Вопросы - номер 3, страница 206.

Условие.

3. Какое значение имеют результаты опыта Штерна для молекулярно-кинетической теории идеального газа?

Решение.

Опыт, проведенный немецким физиком Отто Штерном в 1920 году, стал одним из ключевых экспериментальных доказательств справедливости молекулярно-кинетической теории (МКТ) идеального газа. Его значение заключается в нескольких фундаментальных подтверждениях основных положений теории.

Во-первых, опыт Штерна позволил впервые напрямую измерить скорости теплового движения атомов. До этого эксперимента существование движения молекул и оценка их скоростей были лишь теоретическими гипотезами, основанными на косвенных данных (например, на объяснении давления газа). В опыте измерялась скорость атомов серебра, испарявшихся с нагретой нити. Полученные значения (порядка сотен метров в секунду) совпали с теоретическими расчетами, что стало мощным аргументом в пользу реальности представлений МКТ.

Во-вторых, результаты эксперимента предоставили количественное подтверждение формул МКТ. Теория предсказывает, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул связана с температурой, а среднеквадратичная скорость может быть рассчитана по формуле $v_{кв} = \sqrt{\frac{3kT}{m_0}}$, где $\text{k}$ – постоянная Больцмана, $\text{T}$ – абсолютная температура, а $m_0$ – масса одной молекулы. Измеренные Штерном скорости оказались в хорошем согласии с этими теоретическими предсказаниями.

В-третьих, и это не менее важно, опыт наглядно продемонстрировал, что молекулы в газе движутся не с одной и той же скоростью, а имеют распределение по скоростям. В эксперименте на охлажденной поверхности осаждался не узкий штрих, а размытая полоска серебра. Это означало, что одни атомы (более быстрые) долетали до стенки быстрее, смещаясь на меньшее расстояние из-за вращения прибора, а другие (более медленные) – дольше, смещаясь на большее расстояние. Это стало прямым экспериментальным подтверждением существования распределения Максвелла по скоростям – одного из краеугольных камней статистического описания газов в МКТ.

Ответ:
Результаты опыта Штерна имеют фундаментальное значение для молекулярно-кинетической теории, поскольку они стали первым прямым экспериментальным подтверждением ее ключевых положений. Главное значение заключается в том, что опыт позволил:
1. Напрямую измерить скорости хаотического теплового движения атомов газа.
2. Количественно подтвердить, что измеренные скорости согласуются со значениями, предсказанными теоретически в рамках МКТ.
3. Доказать, что атомы в газе движутся с разными скоростями, то есть существует распределение по скоростям, что подтвердило статистический характер теории.