Физические основы эксперимента
Все макроскопические тела состоят из огромного числа атомов и молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении. В силу этого скорости и координаты отдельных молекул – величины случайные. Поэтому в совокупном поведении отдельных молекул появляются статистические закономерности. Их изучение и делает возможным описание макросистем на основе сведений о свойствах отдельных частиц системы. Статистическая физика связывает параметры макроскопических тел (давление, плотность, теплопроводность, вязкость и т. п.) со средними значениями микропараметров молекул (скоростью, координатами и импульсом). Математическим аппаратом статистической физики является теория вероятности. Вероятность появления некоторого значения
где Вероятностью того, что непрерывная случайная величина
где Вероятность
Функция называется функцией распределения вероятностей или плотностью вероятности. Она показывает, какова вероятность того, что случайная величина будет иметь значение в единичном интервале вблизи некоторого значения Средние значения случайной влечены Х определяются по формулам: для дискретной случайной величины
для непрерывной случайной величины
С учётом (3): На рис.3 приведён один из возможных примеров функции распределения. В соответствии с формулой (3) площадь заштрихованной полоски равна Рис.3
Вероятность того, что величина
где интегрирование ведётся по всем возможным значениям Значение случайной величины Отыскание математического вида функции распределения – одна из основных задач статистической физики.
Приведём примеры некоторых функций распределения.
а) Нормальное распределение или распределение Гаусса Математический вид функций распределения:
где s -- стандартное (среднеквадратичное отклонение), которое характеризует рассеяние (разброс) случайной величины х вокруг её среднего значения <х> или «ширину» графика нормального распределения. График функции распределения приведены на рис.4
Рис. 4
Распределению Гаусса подчиняются случайные ошибки экспериментальных измерений. Нормальным (гауссовским) является распределение молекул идеального газа по проекциям скоростей Vx на произвольную ось [1, 2, 3]:
где m – средняя масса молекул, k- постоянная Больцмана, Т- температура. В данной работе в первом эксперименте исследуется распределение дроби в горизонтальном направлении после прохождения её через систему рассеивающих штырьков (см. рис. 1), которое при определённых условиях является распределением Гаусса. Поясним, почему это происходит. Выйдя из воронки, любая дробинка движется первоначально вертикально вниз. При ударе о штырьки дробинка случайным образом отклоняется от вертикали, приобретая какую-то скорость Vx в горизонтальном направлении, и попадает в некоторую ячейку. Чем больше Vx, тем в более удалённую от центра ячейку попадёт дробинка. Просыпав всю дробь через систему штырьков, можно получить гистограмму заполнения ячеек дробью (см.рис.5). Вероятность того, что наугад взятая дробинка попадёт в ячейку с координатой х, будет определяться по формуле:
где О виде функции распределения В свою очередь Рис. 5 Распределение дроби по ячейкам
В данном опыте отклонение дроби равновероятно в обе стороны от центра воронки. Это является характерной чертой распределения Гаусса. Однако при экспериментальном исследовании этого распределения возможно действие каких-либо факторов, которые нарушат симметрию. Поэтому для проверки симметричности получаемого в эксперименте распределения используют величину, которая называется коэффициентом асимметрии. Он рассчитывается по формуле [4, 5]:
При А = 0 гистограмма является симметричным графиком. При А > 0 гистограмма сдвинута в сторону больших значений х, при А < 0 – в сторону меньших х. Среднее значение <x> находится по формуле:
Т. к. ∆Ni пропорционально высоте заполнения ячеек дробью Нi, то вместо (13) получим:
Среднеквадратичное отклонение распределения в данном случае можно рассчитать по формуле[1]: σ2=
Наиболее вероятное значение хв определяется по максимуму графика функции распределения. Установка позволяет изменять количество штырьков и получить две функции распределения.
б) Распределение Максвелла Математический вид функции распределения в общем случае:
где А и α – некоторые константы. Рис. 6 Такой вид имеет распределение молекул идеального газа по модулю скорости.
Графики функции (17) для двух разных температур газа приведены на рис.6. Здесь VВ1 и VВ2 –наиболее вероятные скорости молекул при температурах Т1 и Т2. Исследуя (17) на максимум, получим, что
В данной лабораторной работе во 2-ом эксперименте находится функция распределения термоэлектронов по модулю их скорости. Эксперимент базируется на следующих положениях. Если между катодом и анодом приложить напряжение U1 (см. рис.2), то до анода дойдут только те электроны, у которых кинетическая энергия
или Если приложить другое напряжение U2 = U1 + DU, то до анода дойдут электроны, у которых скорость Поэтому при изменении напряжения от U1 до U2 анодный ток
С другой стороны ∆N - это количество электронов, скорости которых лежат в интервале от
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|