Номер 3, страница 246 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Молекулярная физика. 9. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Параграф 50. Распределение молекул идеального газа по скоростям. Вопросы - номер 3, страница 246.

Условие.

3. Для чего в опыте (см. рис. 200) используются вращающиеся диски?

Принципиальная схема опыта для определения скорости молекул газа или пара

Решение.

Вращающиеся диски в данном опыте, известном как опыт Штерна, используются в качестве селектора (фильтра) скоростей. Их основная задача — измерить время полёта молекул на известном расстоянии, что позволяет вычислить их скорость.

Принцип работы установки следующий:

1. Первый диск (ближе к источнику молекул) имеет узкую щель. Вращаясь, он прерывает сплошной поток молекул, пропуская их только короткими порциями (импульсами) в тот момент, когда щель совпадает с направлением пучка. Таким образом, этот диск задает начальный момент времени для движения каждой порции молекул.

2. Второй диск расположен на расстоянии $l$ от первого и закреплен на том же валу, вращаясь с той же угловой скоростью $ω$. Щель на втором диске смещена на определённый угол $α$ относительно щели на первом диске.

3. Молекулы, вылетевшие из первого диска, движутся ко второму. За время их полета $t$ оба диска поворачиваются на некоторый угол. До детектора долетят только те молекулы, которые достигнут второго диска ровно в тот момент, когда его смещенная щель окажется на их пути. Время полета таких "успешных" молекул равно $t = l/v$, где $v$ — их скорость.

За это же время диски должны повернуться на угол $α$. Связь между углом, угловой скоростью и временем выражается формулой $α = ωt$.

Объединив эти два уравнения, можно определить скорость молекул, которые проходят через систему дисков:
$t = \frac{l}{v}$ и $t = \frac{α}{ω}$
Следовательно, $\frac{l}{v} = \frac{α}{ω}$, откуда скорость молекул $v = \frac{lω}{α}$.

Изменяя угловую скорость вращения $ω$, можно пропускать к детектору молекулы с различными скоростями и таким образом экспериментально изучать распределение молекул газа по скоростям.

Ответ: Вращающиеся диски используются для измерения скорости молекул. Они действуют как селектор скоростей: первый диск создает короткие, прерывистые пучки молекул, а второй пропускает к детектору только те молекулы, которые пролетели расстояние между дисками за строго определённое время. Это время зависит от скорости вращения дисков, что и позволяет вычислить скорость прошедших через обе щели молекул.