Опыты, страница 119 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Исследуйте с помощью микроскопа броуновское движение. Для этого растворите в воде немного акварельной краски, а затем на предметное стекло поместите каплю полученной суспензии. Подберите такое количество краски в суспензии, чтобы частиц было не очень много. Понаблюдайте за частицами краски. Подождите минуту и снова понаблюдайте за частицами краски. Поскольку капля имеет некоторый объём, с помощью микрометрического винта изменяйте высоту объектива и качественно сравните количество частиц на разных высотах.

Для выполнения этого исследования необходимо следовать инструкциям, описанным в задаче. Результаты наблюдений и их физическое объяснение будут следующими.

Наблюдение за движением частиц краски

После приготовления суспензии акварельной краски в воде и помещения капли на предметное стекло под микроскоп, можно будет наблюдать мелкие частицы пигмента. Сфокусировавшись на них, мы увидим, что частицы не находятся в покое и не оседают плавно вниз. Вместо этого, каждая частица совершает беспорядочные, скачкообразные движения в разные стороны. Траектория каждой частицы представляет собой сложную ломаную линию. Это явление и есть броуновское движение.

Если подождать минуту и снова найти в поле зрения те же частицы (или просто наблюдать за произвольным участком), станет очевидно, что их расположение изменилось случайным образом. Движение не прекращается.

Причиной этого движения являются невидимые в обычный микроскоп молекулы воды. Согласно молекулярно-кинетической теории, молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Они со всех сторон сталкиваются с гораздо более крупной частицей краски. Поскольку число и сила ударов молекул с разных сторон в каждый момент времени не одинаковы, возникает результирующая сила, которая сдвигает частицу. В следующий момент направление и величина этой силы случайным образом меняются, что и приводит к наблюдаемому беспорядочному "дрожанию" и перемещению частиц. Таким образом, броуновское движение является прямым экспериментальным подтверждением существования и теплового движения молекул.

Ответ: Наблюдаемые частицы краски совершают непрерывное хаотическое движение (броуновское движение). Это происходит из-за неуравновешенных ударов молекул воды, находящихся в постоянном тепловом движении, о поверхность этих частиц.

Сравнение количества частиц на разных высотах

Используя микрометрический винт для изменения высоты объектива, мы изменяем фокальную плоскость внутри капли суспензии. Это позволяет нам наблюдать за слоями жидкости на разной высоте от предметного стекла.

При таком наблюдении можно качественно сравнить количество (концентрацию) частиц в поле зрения на разных уровнях. Будет замечено, что в нижних слоях капли, ближе к предметному стеклу, частиц значительно больше. По мере подъема фокальной плоскости вверх, количество видимых частиц будет уменьшаться. То есть, концентрация частиц краски падает с увеличением высоты.

Это распределение частиц по высоте объясняется взаимодействием двух процессов:

1. Сила тяжести: Частицы краски имеют массу и плотность, как правило, большую, чем у воды. Поэтому сила тяжести стремится опустить их на дно, к предметному стеклу.

2. Тепловое движение: Броуновское движение, в свою очередь, противодействует оседанию, заставляя частицы хаотически перемещаться, в том числе и вверх, что приводит к их распределению по всему объему жидкости (процесс диффузии).

В результате устанавливается динамическое равновесие: нисходящий поток частиц под действием силы тяжести уравновешивается восходящим диффузионным потоком. Такое равновесное распределение частиц в поле силы тяжести описывается барометрической формулой, предсказанной Больцманом:

$n(h) = n_0 \cdot e^{-\frac{m'gh}{kT}}$

где $n(h)$ – концентрация частиц на высоте $\text{h}$, $n_0$ – концентрация на нулевом уровне ($h=0$), $m'$ – эффективная масса частицы в жидкости (с учетом выталкивающей силы Архимеда), $\text{g}$ – ускорение свободного падения, $\text{k}$ – постоянная Больцмана, а $\text{T}$ – абсолютная температура. Формула показывает, что концентрация частиц убывает по экспоненциальному закону с высотой.

Ответ: Количество частиц краски уменьшается с увеличением высоты наблюдения внутри капли. Это объясняется установлением равновесия между действием силы тяжести, стремящейся опустить частицы вниз, и тепловым движением, которое стремится равномерно распределить их по всему объему.