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

26575. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ БЕЛКОВ В МОЛОКЕ 5.58 KB
  В настоящее время широкое распространение получил рефрактометрический метод определения белка в сыром молоке. Метод основан на измерении показателей преломления молока и безбелковой молочной сыворотки полученной из того же образца молока разность между которыми прямо пропорциональна массовой доле белка в молоке. Комплект для измерения массовой доли белка рефрактометр со шкалой массовой доли белка в диапазоне 0 15 и ценой деления 01 ИРФ464 и водяная баня закрытого типа для флаконов центрифуга для определения массовой доли жира в...
26576. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУХОВОГО ОСТАТКА МОЛОКА ЦЕЛЬНОГО И ОБЕЗЖИРЕННОГО 6.52 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУХОВОГО ОСТАТКА МОЛОКА ЦЕЛЬНОГО И ОБЕЗЖИРЕННОГО. Количество сухих веществ молока является показателем качества молока и его питательной ценности. В состав сухих веществ молока входят жир белок сахар минеральные вещества. Более постоянной величиной является сухой обезжиренный молочный остаток СОМО в состав которого входит белок сахар и соли молока.
26577. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОЛОКА 5.19 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОЛОКА Определение плотности молока производят в соответствии с требованиями ГОСТ 362584. Плотностью молока называют отношение массы молока при температуре 20 к массе равного объема воды при температуре 4С температура воды с наибольшей плотностью. Плотность цельного коровьего молока колеблется в пределах 1027 1033 кг мЗ. Плотность молока часто для краткости выражают не полным числом а только цифрами следующими за десятыми долями в градусах плотности отбрасывая две первые цифры 10 так как они всегда постоянны...
26578. ОСМОТР ТУШ И ОРГАНОВ УБИТЫХ ЖИВОТНЫХ В УБОЙНОМ ЦЕХЕ МЯСОКОМБИНАТА 4.74 KB
  ЛИВЕР подвешивают за кольца трахеи поворачивают средостением вскрывают бронхиальные и средостенные лимфоузлы прощупывают легкие разрезают легкие параллельно средостению отступя от него 1 см. Осматривают ПЕЧЕНЬ цвет размеры вскрывают портальные лимфоузлы разрезают печень вдоль 2 разрезами вскрывают желчные ходы. ПОЧКИ осматривают с поверхности прощупывают при необходимости вскрывают вскрывают почечные лимфоузлы. На мясокомбинатах скотобойнях и убойных пунктах лимфатические узлы туши вскрывают в том случае если к этому имеются...
26579. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И ТОПОГРАФИИ ЛИМФОУЗЛОВ КРС, ОВЕЦ, СВИНЕЙ. ОСОБЕННОСТИ ТОПОГРАФИИ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ У РАЗНЫХ ВИДОВ ЖИВОТНЫХ 40.12 KB
  У КРУППОГО РОГАТОГО СКОТА И ОВЕЦ лимфатические узлы овальной формы окружены жировой тканью и имеют на разрезе серый или интенсивносерый цвет. По сравнению с крупным рогатым скотом некоторые лимфатические узлы у свиней отсутствуют. ЛИМФАТИЧЕСКИЕ УЗЛЫ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА. Передние средостенные лимфатические узлы расположены в средостении впереди от аорты слева от пищевода и трахеи некоторые у входа в грудную полость.
26580. ПАСТЕРИЗАЦИЯ МОЛОКА. ИЗМЕНЕНИЕ В МОЛОКЕ ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ПАСТЕРИЗАЦИИ 5.9 KB
  ПАСТЕРИЗАЦИЯ МОЛОКА. Пастеризация следовательно наиболее простой и дешевый способ обеззараживания молока. При пастбищном содержании скота микрофлора молока уничтожается нагреванием более полно чем при стойловом содержании. Перед пастеризацией необходима тщательная очистка молока.
26581. КИСЛОМОЛОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ, ИХ ПИЩЕВОЕ, ДИЕТИЧЕСКОЕ И ЛЕЧЕБНОЕ ЗНАЧЕНИЕ 6.01 KB
  Усвояемость кисломолочных продуктов выше усвояемости молока т. Регулярное употребление в пищу кисломолочных продуктов способствует и укреплению нервной системы изза накопления в них крайне необходимых человеку витаминов синтезируемых молочнокислыми бактериями. Установлено что содержание витаминов в кисломолочных продуктах возрастает в результате и спиртового брожения. молочнокислые бактерии содержащиеся в кисломолочных продуктах способны приживаться в кишечнике человека и благотворно влиять на весь организм.
26582. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИЩЕВЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ 5.7 KB
  Само название пищевые заболевания пищевые токсикоинфекции пищевые токсикозы указывают что основную роль в их возникновении играют 'пищевые продукты. В зависимости от них все пищевые заболевания людей делят на две большие группы. ПИЩЕВЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ НЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ПРИРОДЫ типичные пищевые отравления. Пищевые заболевания не бактериальной природы с недостаточно изученной этиологией.
26583. КОНСЕРВИРОВАНИЕ КОЖЕВЕННОГО СЫРЬЯ 5.55 KB
  Шкуры консервируют посолом врасстил тузлукованием сухосоленым пресносухим и кислотносолевым способами. Шкуры укладывают на стеллажи мездрой вверх посыпая слоем соли до 1 см высотой штабеля 15 2 м. Каждый штабель комплектуют не более 3 суток с момента посола первой шкуры. Тузлукованием консервируют шкуры крупного рогатого скота конские верблюжьи и свиные.