70760

Изучение статистических закономерностей на механических моделях

Лабораторная работа

Физика

Движение каждой молекулы определяется законами классической механики поэтому в принципе можно написать уравнение движения каждой молекулы. Однако поскольку число молекул огромно то не только решить но даже написать такое громадное число дифференциальных уравнений практически невозможно.

Русский

2014-10-26

258.5 KB

5 чел.

                                           Лабораторная работа № 1-13

Тема:    Изучение статистических закономерностей на механических моделях.

Цель работы: изучить статистические закономерности на механических моделях,  получить экспериментальную и рассчитать теоретическую кривую распределения случайных величин.

Приборы и принадлежности: установка для изучения статистических закономерностей, сыпучий материал, масштабная линейка.

Теоретическая часть:

1.  Движение каждой молекулы определяется законами классической механики, поэтому, в принципе, можно написать уравнение движения каждой молекулы. Однако поскольку число молекул огромно, то не только решить, но даже написать такое громадное число дифференциальных уравнений практически невозможно. Таким образом, динамический метод описания совокупности огромного числа частиц практически непригоден. Новый метод, позволяющий перейти от описания движения отдельных частиц системы к описанию в целом макроскопических свойств системы из огромного числа частиц, называется статистическим. Он основывается на использовании теории вероятности и определённой модели строения изучаемой системы.

Термодинамический метод описывает поведение системы из большого числа частиц, не касаясь её внутренней структуры. В основе термодинамического метода лежит несколько общих законов, называемых началами термодинамики, установленных на основе обобщения опытных данных.

2.    Вероятность того, что скорость молекулы лежит в интервале от  до  равна отношению числа молекул , скорости которых лежат в указанном интервале к полному числу молекул в системе  , т.е.

                                                                 (13-1)

Выражение (13-1) можно представить через функцию распределения  молекулы по скоростям:

                                                        (13-2)

 Распределение молекул по скоростям в принципе может оказаться любым, но вероятность различных распределений неодинакова. Среди всех возможных распределений имеется одно, вероятность которого больше чем всех других оно называется распределением Максвелла.

Максвелл установил, что наиболее вероятное распределение определяется соотношением кинетической энергии молекулы  к средней энергии её теплового движения     :

                               , где - постоянная Больцмана, - абсолютная температура, - независящая от скорости постоянная.

Постоянная  находится из условия, что вероятность найти скорость молекулы в интервале от 0 до  равна единице (это вероятность достоверного события):

                                                 (13-4)

Вычислив с помощью (13-4) нормировочную постоянную   можно записать выражение для среднего числа молекул   скорости которых лежат в интервале от  до  в следующей форме:

                                               (13-5)

Если же интересоваться распределением молекул только по величине скорости, т. е. по  , то выражение (13-5) следует переписать с учётом того факта, что все направления движения молекул равновероятны, поэтому распределение точек в пространстве скоростей будет сферически симметричным относительно начала отсчёта. Следовательно молекулы, скорости которых заключены в интервале от  до  будут находиться в области, лежащей между сферами радиусов  ,,

объём которой равен  . Поэтому объём    в (13-5) следует заменить на объём   . Тогда формула (13-5) примет вид:

                                        (13-6)

Используя выражения (13-1), (13-2), (13-6) находим, что функция распределения Максвелла по величине скорости  равна:

                                                  (13-7)

4. Наивероятнейшая скорость – скорость, при которой кривая Максвелла имеет максимум:

                                                                       (13-8)

Функция распределения Максвелла (13-7) позволяет вычислить статистические значения любой функции скоростей :

        ,где   - среднее значение функции         (13-9)

Используя (13-9) получаем, что средняя скорость молекул  и среднеквадратичная скорость  равна:

                      

Связь между характерными скоростями молекул:

                             

Функция распределения по координатам называется функцией распределения Больцмана:

                                        (13-16)

где  - потенциальная энергия молекулы в поле внешних сил.

Число молекул, координаты которых лежат в интервале от  до  равно:

                                                        (13-17)

Пусть известна концентрация молекул  и  в двух точках  и  .Используя выражения (13-17) и (13-16), получаем:

                                                        (13-18)  (формула Больцмана).

Закон изменения концентрации частиц с высотой в поле силы тяжести Земли:

 Пусть начальная точка , тогда  ; В качестве второй точки возьмём точку, отстоящую на расстоянии  от поверхности Земли, т.е. , тогда , Применим формулу (13-18) :

                                                     (13-19)

Используя далее основание уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа в виде  и считая температуру воздуха одинаковой на всех высотах, переходим от формулы (13-19) к барометрической формуле, связывающей давления на разных высотах:

                                                  (13-20), где - средняя масса молекулы воздуха.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Ход работы.

  1.  Измеряем высоту уровня пшена в  каждой ячейке, все данные вносим в таблицу.

2. Определяем среднее значение уровня пшена в каждой ячейке:

   где k - число опытов

      I – номер ячейки

все данные вносим в таблицу.

  1.  Определяем вероятность нахождения пшена в I ячейке по формуле:

;   ;   ;  

все данные вносим в таблицу.

  1.  Таблица данных:

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

 

1

0

1

5

7

20

32

57

65

64

45

11

5

3

2

1

(мм)

2

0

2

2

2

17

30

45

65

65

50

15

8

4

3

1

 

3

0

4

8

10

20

35

60

65

60

40

12

6

2

2

2

(мм)

 

0

2

5

6

19

32

54

65

63

45

13

6

3

2,3

1,3

(мм)

318

0,010

0,007

0,016

0,020

0,059

0,101

0,168

0,202

0,196

0,140

0,039

0,020

0,009

0,007

0,004

(мм)

6,603

0

0

0,01

0,04

0,09

0,14

0,16

0,15

0,13

0,1

0,08

0,05

0,04

0,027

0,018

5.  Построить график функции  Pi  от координаты i ячейки в виде гистограммы:

  1.  Построить график функции  (теоретическая зависимость):

  1.  График функции вероятного попадания пшена :

  1.  По данным одной из ячеек определить среднеквадратичную ошибку измерений:

Ввод:  Изучили  статистические закономерности на механических моделях,  получить экспериментальную и рассчитали теоретическую кривую распределения случайных величин.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28826. Эволюция советской политической системы в 20-30гг. Было ли неизбежно становление тоталитарного режима в СССР 15.43 KB
  Она поддерживалась всей мощью государства на всех уровнях.Тоталитаризм Одна из форм устройства авторитарного государства характеризующаяся его полным господством над всеми сторонами жизни; тоталитарный режим. Так происходит провоцирование ГОСУДАРСТВА на расширение его контрольных функций то есть подталкивание к ТОТАЛИТАРИЗМУ. В итоге общество получает полное огорчение по поводу деятельности ГОСУДАРСТВА и начинает ратовать за освобождение от тоталитаризма.
28827. Становление детской психологии в конце 19 н 20 в. 48.5 KB
  Предпосылками возникновения возрастной психологии явились запросы педагогической практики разработка идей развития в психологии появление экспериментальной психологии и разработка объективных методов исследования детей. Бюлера биогенетический закон периодизации психического развития. Эволюция как основа психологического развития. В основе развития психики лежит биогенетический закон.
28828. Кризис в психологии в начале XX века 53.5 KB
  Кризис в психологии в начале XX века Причины и значение открытого кризиса в психологии поиски новых объяснительных принципов и объективных методов исследования психики. К началу 20 века теория начала отставать в своем объяснении данных психологических исследований а порой оказывалась и просто неадекватной им привела к ситуации кризиса в психологии. По Выготскому это был кризис методологических основ психологии. Кризис в психологии совпал с периодом обострения экономических и социальнополитических противоречий в буржуазном обществе.
28829. Глубинная психология 72.5 KB
  Во втором периоде 1906 1918 фрейдизм превращается в общепсихологическое учение о личности и ее развитии. Структура личности представляется теперь в виде учения о трех инстанциях Я Оно СверхЯ Я и Оно 1923. Структура личности функции Ид Эго Суперэго Ид располагается в бессознательном слое является энергетической основой личности в ид содержаться врожденные бессозн инстинкты инстинкт жизни и смерти; исключительно примитивные инстинктивные и врожденные аспекты личности. Развитие личности стадии Фундамент...
28830. Развитие идей Фрейда в неопсихоанализе 61.5 KB
  Развитие личности: решающая роли детских переживаний для формирования структуры и функционирования личности взрослого решающим фактором в развитии личности являются социальные отношения между ребенком и его родителями. Согласно Хорни для нормального развития личности ребенку присущи две основные потребности: потребность в удовлетворении все биологические нужды: в пище сне и т. Ее основу составляет тезис о роли межличностных отношений в формировании личности и процесса ее развития. Описывая их роль в психическом развитии он доказал что...
28831. Бихевиоризм. Предпосылки бихевиоризма, критика традиционной психологии, влияние ассоциативной психологии. Философские основы бихевиоризма (прагматизм, позитивизм), понятие о предмете и методе психологии в бихевиоризме 34 KB
  4 Функциональная психология оказала определенное влияние на бихевиоризм психология должна стремиться быть более объективной и поэтому изучать поведение а не сознание душу или разум. Торндайк: психология должна исследовать поведение а не психические элементы или опыт сознания. псих изучать формирование поведенческих реакций и на этой основе изучать человеческое поведение как результат научения. предсказывать поведение человека в каждой конкретной ситуации и в последующем управлять этим поведением.
28832. Развитие необихевиоризма. Изменение представлений о структуре поведенческого акта 56.5 KB
  принципы поведения организмов стоящих на более низких ступенях развития аналогичны таковым принципам поведения организмов стоящих на более высоких ступенях развития. особое значение анализу поведения единичных организмов психологи должны научиться предсказывать влияние отдельных переменных на компоненты поведения отдельного организма. концепция оперантного поведения: Люди да и животные в реальной жизни редко действуют согласно классической схеме S R респондентное поведение или обусловливанием типа С стимульным. Последствия...
28833. Гештальтпсихология 82.38 KB
  Гештальтпсихология возникла из исследований восприятия. В исследованиях ученых были открыты свойства воображения восприятия и др. Принципы гештальта Целостность восприятия и его упорядоченность достигаются благодаря следующим принципам: Близость. Работы посвящены исследованию зрительного восприятия.
28834. Французская социологическая школа 46.5 KB
  Говорил о существовании коллективного сознания совокупность общих у членов одного и того же общества интересов верований убеждений чувств ценностей. исследовал структуру сознания и личности Изучая структуру сознания Жане подчеркивал что все высшие проявления духа строятся на основе низших где действие чувство и разум слиты воедино. Трехуровневая структура сознания: элементарные ощущения затем память а на ней базируется Я или личность. Ввёл в психологию понятие поле сознания это наибольшее число простых или относительно...