Hướng dẫn Tài liệu dạy học Vật lý 8 Chủ đề 19hay nhất. Tải về định dạng file PDF cho các thầy cô giáo tham khảo.
Hoạt động 1 trang 138 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Em hãy trả lời: Thế nào là chuyển động Brown ?
Lời giải chi tiết
Chuyển động hỗn loạn không ngừng của các hạt rất nhỏ [có đường kính cỡ micrômét] trong chất lỏng hay chất khí được gọi là chuyển động Brown.
Micromét [ có kí hiệuμm] là một ước của đơn vị mét, bằng một phần triệu mét [1μm=10−6m].
Hoạt động 2 trang 139 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Em hãy giải thích vì sao các hạt khói, bụi nhỏ li ti trong không khí lại có chuyển động Brown.
Lời giải chi tiết
Nguyên tử, phân tử của các chất chuyển động hỗn loạn không ngừng. Nguyên nhân gây ra chuyển động Brown của các hạt nhỏ trong chất lỏng, chất khí là do các phân tử chất lỏng, chất khí luôn chuyển động, chúng có thể va chạm vào các hạt nhỏ từ nhiều phía khác nhau. Các va chạm này không cân bằng nhau nên các hạt nhỏ cũng chuyển động hỗn loạn không ngừng.
Hoạt động 3 trang 140 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Em hãy trả lời: Khi nhiệt độ tăng, chuyển động Brown của các hạt khói, bụi nhỏ li ti trong không khí nhanh lên hay chậm đi, vì sao ?
Lời giải chi tiết
Nhiệt độ một vật càng cao thì chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật càng nhanh.
Hoạt động 4 trang 140 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Hãy thực hiện thí nghiệm và giải thích
Thực hiện thí nghiệm: Đổ nhẹ nước vào một bình đựng dung dịch sunfat đồng màu xanh. Do nước nhẹ hơn nên nổi ở trên và có một mặt phân cách giữa hai chất lỏng [hình h29.6a]. Theo thời gian, mặt phan cách này mờ dần [hình H19.6 b, c, d,] rồi mất hẳn [hình H19.6e] và hai chất lỏng trong bình hào lẫn vào nhau.
Dự trên kiến thức về phân tử, nguyên tử, em hãy giải thích hiện tượng trên.
Lời giải chi tiết
Do các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng theo mọi hướng nên các phân tử nước chuyển động xuống dưới, còn cách phân tử sunfat chuyển động lên trên làm cho hai chất lỏng này hòa vào nhau.
Hoạt động 5 trang 1418 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Hãy dự đoán, lập luận và kiểm chứng qua thí nghiệm.
Theo em, hiện tượng khuếch tan xảy ra nhanh hơn hay chậm đi khi nhiệt độ tăng, vì sao ?
Thực hiện thí nghiệm: thả cùng lúc vào hạt thuốc tím vào một cốc đựng nước nóng và một cốc đựng nước lạnh [hình H19.7]. hãy quan sát hiện tượng xảy ra và giải thích.
Lời giải chi tiết
- Khi nhiệt độ tăng lên thì các phân tử nguyên tử chuyển động càng nhanh, hỗn loạn theo chuyển động Brown nên hiện tượng khuếch tán xảy ra nhanh hơn.
- Thả cùng lúc vài hạt thuốc tím vào một cốc đựng nước nóng và một cốc đựng nước lạnh thì thấy hạt thuốc tím hòa vào trong nước nóng nhanh hơn, khuếch tán ra nhiều hơn cố nước lạnh. Do nước nóng các phân tử chuyển động nhanh hơn nên hòa vào nhau nhanh hơn so với cốc nước lạnh.
Bài 1 trang 141 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Phân tử, nguyên tử cấu tạo các chất luôn đứng yên hay chuyển động thế nào ?
Vì sao chuyển động này của các phân tử, nguyên tử là chuyển động nhiệt ?
Nhiệt độ và chuyển động nhiệt của phân tử, nguyên tử có liên hệ thế nào ?
Do chuyển động hỗn loạn không ngừng nên các phân tử nước trên mặt nước có thể bay vào trong không khí. Hiện tượng này gọi là sự bay hơi. Phân tử nước chuyển động càng nhanh thì nước càng dễ bay hơi. Em hãy cho biết: Khi nhiệt độ của nước tăng, sự bay hơi diễn ra nhanh hơn hay chậm đi, vì sao ?
Lời giải chi tiết
- Phân tử, nguyên tử cấu tạo các chất luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng về mọi phía.
Nhiệt độ của các vật càng cao thì các phân tử, nguyên tử chuyển động càng nhanh. Do có liên quan chặt chẽ với nhiệt độ nên chuyển động hỗn loạn của các phân tử gọi là chuyển động nhiệt.
- Khi nhiệt độ nước gia tăng, sự bay hơi diễn ra nhanh hơn vì khi nhiệt độ tăng các phân tử nước chuyển động hỗn loạn càng nhanh, một số phân tử thắng được liên kết giữa các phân tử và thoát ra khỏi mặt nước ra ngoài. Khi nhiệt độ tăng thì sự bay hơi diễn ra nhanh hơn.
Bài 2 trang 141 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Thế nào là chuyển động Brown ? Vì sao có sự chuyển động Brown ?
Hãy cho biết nhiệt độ ảnh hưởng đến chuyển động Brown như thế nào và giải thích vì sao ?
Vì sao chuyển động Brown chỉ xảy ra với những hạt rất nhỏ ?
Lời giải chi tiết
- Nguyên nhân gây ra chuyển động brown của các hạt nhỏ trong chất lỏng, chất khí là do các phân tử chất lỏng, chất khí luôn chuyển động hỗn loạn. Khi các phân tử chất lỏng, chất khí chuyển động, chúng có thể va chạm vào các hạt nhỏ từ nhiều phía khác nhau. Các va chạm này không cân bằng nhau nên các hạt nhỏ cũng chuyển động hỗn loạn không ngừng.
Chuyển động hỗn loạn không ngừng của các hạt rất nhỏ [có đường kính cỡ micromet] trong chất lỏng hay chất khí được gọi là chuyển động Brown.
- Khi nhiệt độ càng cao thì các phân tử, nguyên tử chuyển động càng nhanh, sự va chạm với các phân tử, nguyên tử khác càng lớn hơn làm cho các chuyển động hỗn loạn diễn ra càng nhanh hơn.
Bài 3 trang 141 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Hãy nêu một ví dụ về hiện tượng khuếch tán trong cuộc sống.
Khi nhiệt độ tăng, hiện tượng này diễn ra nhanh hơn hay chậm đi, vì sao ?
Lời giải chi tiết
Khi chúng ta xịt một ít nước hoa vào trong phòng học thì sau một thời gian ngắn mùi nước hoa sẽ lan tỏa khắp căn phòng đó là sự khuếch tán của mùi nước hoa. Khi nhiệt độ trong phòng càng cao thì mùi nước hoa bay càng nhanh sự khuếch tán diễn ra nhanh hơn.
Bài 4 trang 141 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Trong một căn phòng, nước hoa trong một chiếc lọ bị đổ ra ngoài. Sau một lúc, mọi người trong phòng đều ngửi được mùi nước hoa. Trong trường hợp này, đã có những hiện tượng vật lí nào xảy ra ?
A. bay hơi và khuếch tán
B. ngưng tự và khuếch tán
C. bay hơi và ngưng tụ
D. nóng chảy và đông đặc
Lời giải chi tiết
Chọn đáp án A.
Bài 5 trang 142 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Phát biểu nào sau đây sai ?
Khi nhiệt độ tăng thì:
A. chuyển động Brown diễn ra nhanh hơn
B. hiện tượng khuếch tán diễn ra nhanh hơn
C. khối lượng phân tử, nguyên tử cấu tạo các chất tăng lên.
D. tốc độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử tăng lên.
Lời giải chi tiết
Khi nhiệt độ tăng lên thì chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử tăng lên nên chuyển động Brown và sự khuếch tán diễn ra nhanh hơn.
Còn khối lượng phân tử, nguyên tử cấu tạo lên chất không thay đổi
Đáp án C sai
Chọn đáp án C.
Bài 6 trang 142 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Dự trên kiến thức về phân tử, nguyên tử, em hãy giải thích: vì sao đường lại tan dần khi được thả vào trong nước, vì sao trong nước nóng đường lại tan nhanh hơn trong nước lạnh ?
Lời giải chi tiết
Vì khi thả vào nước thì các phân tử đường và nước chuyển động hỗn loạn không ngừng theo chuyển động nhiệt độ chúng hòa vào nhau nên đường tan trong nước. Khi nhiệt độ càng cao thì chuyển động này càng nhanh sự hòa tan sẽ diễn ra nhanh hơn vì vậy trong nước nóng đường tan nhanh hơn.
Bài 7 trang 142 - Tài liệu Dạy Học Vật lí 8 Chủ đề 19
Dựa trên kiến thức về phân tử, nguyên tử, em hãy giải thích: vì sao ô xi trong không khí lại hòa tan được vào trong nước hồ, ao, sông, biển ?
Khi các phân tử nước chuyển động nhanh hơn thì ô xi trong không khí đi vào trong nước khó hơn, em hãy cho biết: khi nhiệt độ tăng, lượng ô xi trong không khí hào tan vào trong nước tăng lên hay giảm đi, vì sao ?
Trong các ao, hồ nuôi tôm, vì sao khi nhiệt độ tăng người ta phải tăng lượng ô xi trong không khí hòa tan vào nước bằng cách dùng quạt nước [hình H19.8], máy thổi khí ?
Lời giải chi tiết
- Vì phân tử khối oxi chuyển động hỗn loạn theo chuyển động nhiệt. Nên các phân tử ở gần mặt nước có thể chuyển động vào trong nước.
- Khi các phân tử nước chuyển động nhanh các phân tử khối oxi đi vào nước khó hơn nên lượng oxi hòa tan vào trong nước sẽ giảm đi.
- Người ta dùng máy thổi không khí cánh quạt nước để có thể làm cho oxi trong không khí dễ dàng chuyển động hòa tan vào trong nước dễ hơn, giúp tỉ lệ phần trăm oxi trong nước làm cho các loài như tôm, cua, cá dễ dàng hô hấp hơn.
Chuyển động Brown là chuyển động hỗn loạn và mất trật tự của các hạt nhỏ, thường là các phân tử ở các chất lỏng hoặc chất khí khác nhau. Nguyên nhân của sự xuất hiện của chuyển động Brown là sự va chạm của một số [hạt nhỏ hơn] với các hạt khác [đã lớn hơn]. Lịch sử phát hiện ra chuyển động Brown, ý nghĩa của nó trong vật lý, và đặc biệt là trong lý thuyết nguyên tử-phân tử là gì? Có những ví dụ nào về chuyển động Brown trong cuộc sống thực? Đọc thêm về tất cả những điều này trong bài viết của chúng tôi.
Khám phá chuyển động Brown
Người tiên phong cho phong trào Brown là nhà thực vật học người Anh Robert Brown [1773-1858], trên thực tế, nó được đặt tên là "Brownian" để vinh danh ông. Năm 1827, Robert Brown đã tích cực nghiên cứu phấn hoa của nhiều loại cây khác nhau. Ông đặc biệt quan tâm đến phần nào phấn hoa tham gia vào quá trình sinh sản của thực vật. Và bằng cách nào đó, khi quan sát sự chuyển động của phấn hoa trong nước rau, nhà khoa học nhận thấy rằng các hạt nhỏ giờ đây và sau đó tạo ra những chuyển động ngoằn ngoèo ngẫu nhiên.
Quan sát của Brown đã được các nhà khoa học khác xác nhận. Đặc biệt, người ta nhận thấy rằng các hạt có xu hướng tăng tốc khi nhiệt độ tăng, cũng như với sự giảm kích thước của bản thân các hạt. Và với sự gia tăng độ nhớt của môi trường chứa chúng, ngược lại, chuyển động của chúng bị chậm lại.
Robert Brown, người phát hiện ra chuyển động Brown.
Lúc đầu, Robert Brown nghĩ rằng ông đang quan sát chuyển động, thậm chí là "vũ điệu" của một số vi sinh vật sống, vì thực chất phấn hoa là tế bào sinh sản đực của thực vật. Nhưng các phần tử của cây chết, và thậm chí cả cây khô cách đây hàng trăm năm trong các vườn thảo mộc, cũng có chuyển động tương tự. Nhà khoa học còn ngạc nhiên hơn khi bắt đầu nghiên cứu những vật chất vô tri vô giác: những hạt than nhỏ, bồ hóng, và thậm chí cả những hạt bụi từ không khí London. Sau đó, thủy tinh, nhiều loại khoáng chất khác nhau rơi xuống dưới kính hiển vi của nhà nghiên cứu. Và ở khắp mọi nơi, những "phân tử hoạt động" này được nhìn thấy, trong chuyển động hỗn loạn và liên tục.
Điều này thật thú vị: bản thân bạn có thể quan sát chuyển động Brown bằng mắt mình, vì điều này bạn không cần kính hiển vi mạnh [xét cho cùng, trong cuộc đời của Robert Brown, chưa có kính hiển vi hiện đại nào mạnh mẽ]. Ví dụ, nếu bạn nhìn qua kính hiển vi này, khói trong một hộp đen và được chiếu sáng bởi một chùm ánh sáng bên cạnh, thì bạn có thể thấy những mảnh nhỏ của muội và tro sẽ liên tục dội lại. Đây là chuyển động Brown.
Chuyển động Brown và lý thuyết nguyên tử-phân tử
Phong trào do Brown phát hiện đã sớm trở nên rất nổi tiếng trong giới khoa học. Bản thân người phát hiện đã vui mừng đưa nó cho nhiều đồng nghiệp của mình. Tuy nhiên, trong nhiều năm, cả bản thân Robert Brown và các đồng nghiệp của ông không thể giải thích lý do cho sự xuất hiện của chuyển động Brown, và tại sao nó lại xảy ra. Hơn nữa, chuyển động Brown hoàn toàn bị rối loạn và bất chấp bất kỳ logic nào.
Lời giải thích của nó chỉ được đưa ra vào cuối thế kỷ 19 và nó không được cộng đồng khoa học chấp nhận ngay lập tức. Năm 1863, nhà toán học người Đức Ludwig Christian Wiener cho rằng chuyển động Brown là do chuyển động dao động của một số nguyên tử không nhìn thấy được. Trên thực tế, đây là lời giải thích đầu tiên về hiện tượng kỳ lạ gắn liền với các đặc tính của nguyên tử và phân tử, nỗ lực đầu tiên nhằm thâm nhập bí ẩn về cấu trúc của vật chất với sự trợ giúp của chuyển động Brown. Đặc biệt, Wiener đã cố gắng đo lường sự phụ thuộc của tốc độ chuyển động của các hạt vào kích thước của chúng.
Sau đó, các ý tưởng của Wiener được phát triển bởi các nhà khoa học khác, trong số đó có nhà vật lý và hóa học nổi tiếng người Scotland William Ramsay. Chính ông là người đã chứng minh được rằng nguyên nhân của chuyển động Brown của các hạt nhỏ là do tác động của các hạt thậm chí còn nhỏ hơn lên chúng, chúng không còn nhìn thấy được trong kính hiển vi thông thường, cũng như những con sóng làm rung chuyển một chiếc thuyền ở xa không thể nhìn thấy từ bờ , mặc dù có thể thấy rõ chuyển động của con thuyền.
Do đó, chuyển động Brown đã trở thành một trong những bộ phận cấu thành của thuyết nguyên tử-phân tử, đồng thời là bằng chứng quan trọng chứng minh rằng mọi vật chất đều bao gồm các hạt nhỏ nhất: nguyên tử và phân tử. Thật khó tin, nhưng ngay từ đầu thế kỷ XX, một số nhà khoa học đã bác bỏ thuyết nguyên tử-phân tử, và không tin vào sự tồn tại của phân tử và nguyên tử. Các công trình khoa học của Ramsay liên quan đến phong trào Brown đã giáng một đòn mạnh vào các đối thủ của thuyết nguyên tử, và khiến tất cả các nhà khoa học cuối cùng chắc chắn rằng chỉ cần nhìn vào bản thân, các nguyên tử và phân tử tồn tại, và hành động của chúng có thể được nhìn thấy tận mắt.
Lý thuyết chuyển động Brown
Bất chấp sự rối loạn bên ngoài của chuyển động hỗn loạn của các hạt, họ vẫn cố gắng mô tả chuyển động ngẫu nhiên của chúng bằng các công thức toán học. Đây là lý thuyết về chuyển động Brown ra đời.
Nhân tiện, một trong những người phát triển lý thuyết này là nhà vật lý và toán học người Ba Lan Marian Smoluchowski, người đang làm việc tại Đại học Lviv vào thời điểm đó và sống ở quê hương của tác giả bài báo này, ở thành phố Lvov xinh đẹp của Ukraine.
Đại học Lviv, nay là trường Đại học. Tôi, Frank.
Song song với lý thuyết chuyển động Brown của Smoluch, một trong những nhà sáng chế của khoa học thế giới, Albert Einstein nổi tiếng, lúc đó vẫn còn là một nhân viên trẻ và nổi tiếng tại Văn phòng Sáng chế của thành phố Bern, Thụy Sĩ, đang theo học.
Kết quả là cả hai nhà khoa học đã tạo ra lý thuyết của riêng họ, cũng có thể được gọi là lý thuyết Smoluchowski-Einstein. Đặc biệt, một công thức toán học đã được hình thành, theo đó giá trị trung bình của bình phương độ dịch chuyển của một hạt Brown [ NS 2] trong thời gian t tỉ lệ thuận với nhiệt độ T và tỉ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng n, kích thước của hạt r và không đổi.
n MỘT: NS 2 = 2RTt/ 6ph rN A - đây là công thức này trông như thế nào.
R trong công thức là hằng số khí. Vì vậy, nếu trong 1 phút một hạt có đường kính 1 micron bị dịch chuyển đi 10 micron, thì trong 9 phút - 10 = 30 micron, trong 25 phút - bằng 10 = 50 micron, v.v. Trong các điều kiện tương tự, một hạt có đường kính 0,25 μm trong cùng khoảng thời gian [1, 9 và 25 phút] sẽ dịch chuyển tương ứng là 20, 60 và 100 μm, vì = 2. Điều quan trọng là công thức trên bao gồm hằng số Avogadro, do đó, có thể được xác định bằng các phép đo định lượng về chuyển động của một hạt Brown, được thực hiện bởi nhà vật lý người Pháp Jean Baptiste Perrin.
Để quan sát các hạt Brown, Perrin đã sử dụng kính hiển vi siêu vi mới nhất vào thời điểm đó, qua đó các hạt vật chất nhỏ nhất đã có thể nhìn thấy được. Trong các thí nghiệm của mình, nhà khoa học được trang bị một chiếc đồng hồ bấm giờ, đã ghi nhận vị trí của các hạt Brown nhất định trong những khoảng thời gian đều đặn [ví dụ: sau 30 giây]. Sau đó, nối vị trí của các hạt bằng các đường thẳng, người ta thu được nhiều quỹ đạo phức tạp của chuyển động của chúng. Tất cả điều này được phác thảo trên một tờ giấy có sọc đặc biệt.
Đây là cách những bức ảnh này trông như thế nào.
Bằng cách soạn công thức lý thuyết của Einstein với các quan sát của mình, Perrin đã có thể thu được giá trị chính xác nhất tại thời điểm đó cho số Avogadro: 6,8 . 10 23
Với các thí nghiệm của mình, ông đã xác nhận các kết luận lý thuyết của Einstein và Smoluchowski.
Chuyển động Brown và sự khuếch tán
Chuyển động của các hạt trong quá trình chuyển động Brown về bên ngoài rất giống với chuyển động của các hạt trong quá trình xâm nhập lẫn nhau của các phân tử của các chất khác nhau dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Vậy thì sự khác biệt giữa chuyển động Brown và sự khuếch tán là gì? Trên thực tế, cả sự khuếch tán và chuyển động Brown đều xảy ra do chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử, và kết quả là được mô tả bằng các quy tắc toán học tương tự.
Sự khác biệt giữa chúng là trong quá trình khuếch tán, một phân tử luôn chuyển động theo đường thẳng cho đến khi nó va chạm với một phân tử khác, sau đó nó thay đổi quỹ đạo. Một hạt Brown không “bay tự do”, mà trải qua rất nhỏ và thường xuyên, giống như “chấn động”, do đó nó di chuyển ngẫu nhiên ở đây và ở đó. Nói một cách hình tượng, một hạt Brown giống như một lon bia rỗng nằm trong một hình vuông nơi có rất đông người tụ tập. Mọi người nháo nhào tới lui, dùng chân chạm vào cái lọ và nó bay hỗn loạn theo các hướng khác nhau như một hạt Brown. Và chuyển động của chính những người trong đám đông đã là đặc trưng hơn của chuyển động của các hạt trong quá trình khuếch tán.
Nếu bạn nhìn vào cấp độ vi mô, thì lý do chuyển động của một hạt Brown là sự va chạm của nó với các hạt nhỏ hơn, trong khi trong quá trình khuếch tán, các hạt va chạm với các hạt khác tương tự như chúng.
Cả sự khuếch tán và chuyển động Brown đều xảy ra dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ giảm, cả vận tốc của hạt trong chuyển động Brown và vận tốc của hạt trong quá trình khuếch tán đều chậm lại.
Ví dụ về chuyển động Brown trong cuộc sống thực
Lý thuyết về chuyển động Brown, những bước đi ngẫu nhiên này, có một hiện thân thực tế trong cuộc sống thực của chúng ta. Ví dụ, tại sao một người bị lạc trong rừng lại định kỳ quay lại chỗ cũ? Bởi vì nó không đi theo vòng tròn, mà gần giống như cách một hạt Brown thường chuyển động. Vì vậy, anh ấy đã vượt qua con đường của chính mình nhiều lần.
Do đó, không có chỉ dẫn và hướng di chuyển rõ ràng, một người lạc lối được ví như một hạt Brown tạo ra những chuyển động hỗn loạn. Nhưng để ra khỏi khu rừng, bạn cần phải có những hướng dẫn rõ ràng, xây dựng một hệ thống, thay vì thực hiện những hành động vô nghĩa khác nhau. Nói một cách ngắn gọn, bạn không nên cư xử như một hạt Brown trong cuộc sống, vội vã từ bên này sang bên kia, nhưng hãy biết hướng đi, mục tiêu và ơn gọi của mình, có ước mơ, can đảm và kiên trì để đạt được chúng. Đây là cách chúng tôi chuyển từ vật lý sang triết học một cách suôn sẻ. Điều này kết thúc bài báo này.
Chuyển động Brown, video
Và kết luận, một video giáo dục về chủ đề của bài viết của chúng tôi.
Khi viết bài báo, tôi đã cố gắng làm cho nó thú vị, hữu ích và chất lượng cao nhất có thể. Tôi sẽ biết ơn mọi phản hồi và phê bình mang tính xây dựng dưới dạng nhận xét cho bài viết. Ngoài ra, bạn có thể viết mong muốn / câu hỏi / gợi ý của bạn vào mail của tôi [email được bảo vệ] hoặc Facebook, xin chân thành cảm ơn tác giả.
Năm 1827, nhà thực vật học người Anh Robert Brown, khi kiểm tra các hạt phấn hoa lơ lửng trong nước dưới kính hiển vi, đã phát hiện ra rằng hạt nhỏ nhất trong số chúng đang ở trạng thái chuyển động liên tục và thất thường. Sau đó hóa ra chuyển động này là đặc trưng của bất kỳ hạt cực nhỏ nào có nguồn gốc hữu cơ và vô cơ và được biểu hiện càng mạnh, khối lượng của các hạt càng nhỏ, nhiệt độ càng cao và độ nhớt của môi trường càng thấp. Trong một thời gian dài, khám phá của Brown không được coi trọng lắm. Hầu hết các nhà khoa học đều tin rằng lý do cho sự chuyển động rối loạn của các hạt là do sự rung động của thiết bị và sự hiện diện của các dòng đối lưu trong chất lỏng. Tuy nhiên, các thí nghiệm cẩn thận được thực hiện vào nửa sau của thế kỷ trước đã chỉ ra rằng bất kể áp dụng biện pháp nào để duy trì trạng thái cân bằng cơ và nhiệt trong hệ, chuyển động Brown biểu hiện ở một nhiệt độ nhất định luôn có cùng cường độ và luôn biến đổi theo thời gian. . Các hạt lớn bị dịch chuyển nhẹ; cho các ký tự nhỏ hơngai góc hỗn loạn về hướng chuyển động của nó theo những quỹ đạo phức tạp.
Lúa gạo. Phân bố các điểm cuối của chuyển vị ngang của một hạt trong chuyển động Brown [điểm bắt đầu được dịch chuyển về tâm]
Kết luận sau đây tự nó gợi ý: Chuyển động Brown không phải do bên ngoài, mà là do các nguyên nhân bên trong, cụ thể là do sự va chạm của các phân tử chất lỏng với các hạt lơ lửng. Đánh vào một hạt rắn, mỗi phân tử truyền cho nó một phần động lượng của nó [ NSυ]. Do chuyển động nhiệt hoàn toàn hỗn loạn nên tổng động lượng mà hạt nhận được trong một thời gian dài bằng không. Tuy nhiên, trong bất kỳ khoảng thời gian đủ nhỏ nào ∆ NSĐộng lượng mà một hạt nhận được từ một phía sẽ luôn lớn hơn từ phía bên kia. Kết quả là, nó bị dịch chuyển. Việc chứng minh giả thuyết này có tầm quan trọng đặc biệt vào thời điểm đó [cuối thế kỷ 19 - đầu thế kỷ 20], vì một số nhà khoa học và triết học tự nhiên, như Ostwald, Mach, Avenarius, nghi ngờ tính thực tế về sự tồn tại của các nguyên tử và phân tử.
Năm 1905-1906. A. và nhà vật lý người Ba Lan Marian Smoluchowski đã độc lập tạo ra lý thuyết thống kê về chuyển động Brown, chấp nhận như là định đề chính cho giả định về sự hỗn loạn hoàn toàn của nó. Đối với các hạt hình cầu, họ suy ra phương trình
trong đó ∆ NS là sự dịch chuyển hạt trung bình theo thời gian NS[tức là giá trị của đoạn nối vị trí ban đầu của hạt với vị trí của nó tại thời điểm NS]; η - hệ số nhớt của môi chất; NS- bán kính hạt; NS- nhiệt độ tính bằng K; n 0 - Số avogadro; NS là một hằng số khí phổ quát.
Tỷ lệ kết quả đã được xác minh bằng thực nghiệm bởi J. Perrin, người đã phải nghiên cứu chuyển động Brown của các hạt hình cầu của gummigut, gum và mastic với bán kính đã biết chính xác. Chụp liên tiếp các ảnh của cùng một hạt với những khoảng thời gian đều đặn, J. Perrin nhận thấy giá trị của ∆ NS cho mỗi ∆ NS. Kết quả mà ông thu được đối với các hạt có kích thước khác nhau và bản chất khác nhau rất trùng khớp với kết quả lý thuyết, đó là một bằng chứng tuyệt vời về thực tế của các nguyên tử và phân tử và một trong những kết quả nữa.xác nhận của ông về lý thuyết động học phân tử.
Đánh dấu tuần tự vị trí của hạt chuyển động đều đặn, bạn có thể xây dựng quỹ đạo của chuyển động Brown. Nếu chúng ta thực hiện việc chuyển song song tất cả các đoạn sao cho điểm đầu của chúng trùng nhau, thì sự phân bố cho các điểm cuối tương tự như sự lan truyền của đạn khi bắn vào mục tiêu [Hình.]. Điều này xác nhận định đề chính của lý thuyết Einstein - Smoluchowski - sự hỗn loạn hoàn toàn của chuyển động Brown.
Tính ổn định động học của hệ thống phân tán
Có một khối lượng nhất định, các hạt lơ lửng trong chất lỏng sẽ dần dần lắng xuống trong trường hấp dẫn của Trái đất [nếu mật độ của chúng NS mật độ môi trường nhiều hơn d 0] hoặc float [nếu NS ]. Tuy nhiên, quá trình này không bao giờ xảy ra hoàn toàn. Sự lắng đọng [hoặc nổi] bị cản trở bởi chuyển động Brown, chuyển động này có xu hướng phân bố các hạt đồng đều trong toàn bộ thể tích. Do đó, tốc độ lắng của các hạt phụ thuộc vào khối lượng của chúng và độ nhớt của chất lỏng. Ví dụ, bi bạc có đường kính 2 mm vượt qua trong nước 1 cm cho 0,05 giây, và có đường kính 20 micrômet- với giá 500 giây Như có thể thấy từ bảng 13, các hạt bạc có đường kính nhỏ hơn 1 micrômet thường không thể lắng xuống đáy tàu.
Bảng 13
So sánh cường độ chuyển động Brown và tốc độ lắng của các hạt bạc [tính toán của Burton]
| Quãng đường hạt đi được trong 1 s ek. mk | ||
| Đường kính hạt, micrômet | Sụt lún | |
| 100 | 10 | 6760 |
| 10 | 31,6 | 67,6 |
| 1 | 100 | 0,676 |
Nếu pha phân tán lắng xuống đáy bình hoặc nổi lên bề mặt trong thời gian tương đối ngắn, hệ được gọi là không ổn định về mặt động học. Một ví dụ là sự huyền phù của cát trong nước.
Nếu các hạt đủ nhỏ và chuyển động Brown ngăn cản chúng hoàn toàn lắng xuống, hệ thống được gọi là ổn định động học.
Do chuyển động Brown bị rối loạn trong một hệ phân tán ổn định về mặt động học, sự phân bố không đều của các hạt theo chiều cao dọc theo tác dụng của trọng lực được thiết lập. Bản chất của phân phối được mô tả bằng phương trình:
ở đâu với 1 NS 1 ;từ 2- nồng độ của các hạt ở chiều cao h 2; NS- khối lượng của các hạt; NS - mật độ của chúng; NS 0 là khối lượng riêng của môi trường phân tán. Với sự trợ giúp của phương trình này, lần đầu tiên hằng số quan trọng nhất của lý thuyết động học phân tử đã được xác định -. Số avogadro n 0 . Sau khi đếm dưới kính hiển vi lượng hạt gummigut lơ lửng trong nước ở các mức độ khác nhau, J. Perrin đã thu được giá trị số của hằng số n 0 , mà thay đổi trong các thí nghiệm khác nhau từ 6,5 10 23 đến 7,2 10 23. Theo dữ liệu hiện đại, con số của Avogadro là 6,02 10 23.
Hiện tại, khi hằng số n 0 Được biết đến với độ chính xác rất cao, số lượng hạt ở nhiều cấp độ khác nhau được sử dụng để tìm kích thước và khối lượng của chúng.
Bài báo về Chuyển động Brown
Hôm nay chúng ta sẽ xem xét chi tiết một chủ đề quan trọng - chúng ta sẽ đưa ra định nghĩa về chuyển động Brown của các mảnh vật chất nhỏ trong chất lỏng hoặc chất khí.
Bản đồ và tọa độ
Một số học sinh, bị dày vò bởi những giờ học nhàm chán, không hiểu tại sao phải học vật lý. Trong khi đó, chính khoa học này đã từng cho phép khám phá ra Châu Mỹ!
Hãy bắt đầu từ xa. Các nền văn minh cổ đại của Địa Trung Hải đã may mắn theo một nghĩa nào đó: chúng phát triển trên bờ của một hồ chứa nội địa khép kín. Biển Địa Trung Hải được gọi như vậy bởi vì nó được bao quanh bởi đất liền ở tất cả các phía. Và những du khách cổ đại có thể tiến khá xa với cuộc thám hiểm của họ mà không bị mất dấu các bờ biển. Các địa hình đã giúp định hướng. Và những bản đồ đầu tiên được vẽ theo mô tả nhiều hơn là về mặt địa lý. Nhờ những chuyến đi tương đối ngắn này, người Hy Lạp, người Phoenicia và người Ai Cập đã học được cách đóng tàu. Và nơi có thiết bị tốt nhất, có mong muốn đẩy ranh giới của thế giới của bạn.
Do đó, một ngày các cường quốc châu Âu quyết định ra ngoài đại dương. Trong khi chèo thuyền qua những dải đất rộng vô tận giữa các lục địa, các thủy thủ trong nhiều tháng chỉ nhìn thấy nước, và họ phải tự định hướng bằng cách nào đó. Việc phát minh ra đồng hồ chính xác và la bàn chất lượng cao đã giúp xác định tọa độ của chúng.
Đồng hồ và la bàn
Việc phát minh ra máy đo thời gian cầm tay nhỏ đã giúp ích rất nhiều cho các thủy thủ. Để xác định chính xác vị trí của mình, họ cần có một công cụ đơn giản để đo độ cao của mặt trời trên đường chân trời và biết chính xác khi nào là giữa trưa. Và nhờ có la bàn, các thuyền trưởng của các con tàu đã biết họ sẽ đi đâu. Cả kim đồng hồ và đặc tính của kim từ đều được các nhà vật lý nghiên cứu và tạo ra. Nhờ đó, toàn bộ thế giới đã được mở ra cho người châu Âu.
Các lục địa mới là terra incognita, những vùng đất chưa được khai phá. Những cây lạ mọc trên chúng và những con vật lạ được tìm thấy.
Thực vật và vật lý
Tất cả các nhà khoa học tự nhiên của thế giới văn minh đổ xô vào nghiên cứu những hệ thống sinh thái mới lạ lùng này. Và tất nhiên, họ rất mong muốn được hưởng lợi từ chúng.
Robert Brown là một nhà thực vật học người Anh. Ông đã đến Úc và Tasmania, thu thập các bộ sưu tập thực vật ở đó. Ngay tại quê nhà, ở Anh, anh ấy đã nghiên cứu rất nhiều về việc mô tả và phân loại các tài liệu mang theo. Và nhà khoa học này đã rất tỉ mỉ. Một lần, quan sát sự chuyển động của phấn hoa trong nhựa cây, ông nhận thấy: các hạt nhỏ liên tục tạo ra những chuyển động ngoằn ngoèo hỗn loạn. Đây là định nghĩa về chuyển động Brown của các nguyên tố nhỏ trong chất khí và chất lỏng. Nhờ khám phá này, nhà thực vật học tuyệt vời đã ghi tên mình vào lịch sử vật lý!
Brown và Gooey
Trong khoa học châu Âu, người ta thường gọi một hiệu ứng hoặc hiện tượng bằng tên của người đã phát hiện ra nó. Nhưng nó thường xảy ra một cách tình cờ. Nhưng người mô tả, phát hiện ra tầm quan trọng hoặc khám phá quy luật vật lý chi tiết hơn lại ở trong bóng tối. Vì vậy, nó đã xảy ra với người Pháp Louis Georges Guy. Chính anh là người đưa ra định nghĩa về chuyển động Brown [lớp 7 chắc chắn không nghe nói đến khi học chuyên đề vật lý này].
Các nghiên cứu của Gooey và các tính chất của chuyển động Brown
Nhà thí nghiệm người Pháp Louis Georges Guy đã quan sát chuyển động của các loại hạt khác nhau trong một số chất lỏng, bao gồm cả dung dịch. Khoa học thời đó đã có thể xác định chính xác kích thước của các mảnh vật chất nhỏ đến phần mười micromet. Nghiên cứu chuyển động Brown là gì [chính Guy đã định nghĩa hiện tượng này trong vật lý], nhà khoa học nhận ra rằng cường độ chuyển động của các hạt sẽ tăng lên nếu chúng được đặt trong một môi trường ít nhớt hơn. Một nhà thí nghiệm phổ rộng, ông đã cho phép huyền phù tiếp xúc với ánh sáng và các trường điện từ có cường độ khác nhau. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng những yếu tố này không ảnh hưởng đến bất kỳ cách nào đối với các bước nhảy ngoằn ngoèo hỗn loạn của các hạt. Gooey đã chỉ ra một cách rõ ràng điều mà chuyển động Brown chứng tỏ: chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng hoặc chất khí.
Đội và quần chúng
Bây giờ chúng ta hãy mô tả chi tiết hơn cơ chế nhảy ngoằn ngoèo của các mảnh vật chất nhỏ trong chất lỏng.
Bất kỳ chất nào cũng được tạo thành từ các nguyên tử hoặc phân tử. Những yếu tố này của thế giới rất nhỏ, không có kính hiển vi quang học nào có thể nhìn thấy chúng. Trong chất lỏng, chúng luôn dao động và chuyển động. Khi bất kỳ hạt khả kiến nào đi vào dung dịch, khối lượng của nó lớn hơn một nguyên tử hàng nghìn lần. Chuyển động Brown của các phân tử chất lỏng xảy ra hỗn loạn. Nhưng tuy nhiên, tất cả các nguyên tử hoặc phân tử là một tập thể, chúng được kết nối với nhau, giống như những người chung tay. Do đó, đôi khi xảy ra trường hợp các nguyên tử của chất lỏng ở một phía của hạt chuyển động theo cách mà chúng "ép" lên nó, trong khi một môi trường ít đặc hơn được tạo ra ở phía bên kia của hạt. Do đó, một hạt bụi di chuyển trong không gian của dung dịch. Ở những nơi khác, chuyển động tập thể của các phân tử chất lỏng tác động ngẫu nhiên lên mặt khác của thành phần có khối lượng lớn hơn. Đây chính là cách chuyển động Brown của các hạt xảy ra.
Thời gian và Einstein
Nếu một chất có nhiệt độ khác không, thì các nguyên tử của nó trải qua dao động nhiệt. Do đó, ngay cả trong chất lỏng rất lạnh hoặc siêu lạnh, vẫn có chuyển động Brown. Những bước nhảy hỗn loạn của các hạt nhỏ lơ lửng này không bao giờ dừng lại.
Albert Einstein có lẽ là nhà khoa học nổi tiếng nhất của thế kỷ XX. Bất cứ ai thậm chí ít quan tâm nhất đến vật lý đều biết công thức E = mc 2. Ngoài ra, nhiều người có thể nhớ lại hiệu ứng quang điện mà ông đã được trao giải Nobel, và thuyết tương đối hẹp. Nhưng ít người biết rằng Einstein đã phát triển một công thức cho chuyển động Brown.
Dựa trên thuyết động học phân tử, nhà khoa học đã suy ra hệ số khuếch tán của các hạt lơ lửng trong chất lỏng. Và nó đã xảy ra vào năm 1905. Công thức có dạng như sau:
D = [R * T] / [6 * N A * a * π * ξ],
trong đó D là hệ số mong muốn, R là hằng số khí phổ quát, T là nhiệt độ tuyệt đối [tính bằng Kelvin], NA là hằng số Avogadro [tương ứng với một mol chất, hoặc khoảng 1023 phân tử], a là giá trị trung bình gần đúng. bán kính hạt, ξ là động lực học, độ nhớt của chất lỏng hoặc dung dịch.
Và vào năm 1908, nhà vật lý người Pháp Jean Perrin và các sinh viên của ông đã thực nghiệm chứng minh tính đúng đắn của các phép tính của Einstein.
Một hạt trong chiến binh dã chiến
Ở trên, chúng tôi đã mô tả tác động chung của môi trường đối với nhiều hạt. Nhưng ngay cả một yếu tố ngoại lai trong chất lỏng cũng có thể tạo ra một số quy định và phụ thuộc. Ví dụ, nếu bạn quan sát một hạt Brown trong một thời gian dài, thì bạn có thể cố định mọi chuyển động của nó. Và từ sự hỗn loạn này, một hệ thống hài hòa sẽ phát sinh. Sự tiến bộ trung bình của một hạt Brown theo một hướng tỷ lệ thuận với thời gian.
Trong các thí nghiệm về một hạt trong chất lỏng, các giá trị sau đây đã được tinh chỉnh:
- Hằng số Boltzmann;
- Số avogadro.
Ngoài chuyển động thẳng, chuyển động quay hỗn loạn cũng vốn có. Và độ dịch góc trung bình cũng tỷ lệ thuận với thời gian quan sát.
Kích thước và hình dạng
Sau khi suy luận như vậy, một câu hỏi tự nhiên có thể nảy sinh: tại sao hiệu ứng này không được quan sát thấy đối với các vật thể lớn? Bởi vì khi chiều dài của một vật thể ngâm trong chất lỏng lớn hơn một giá trị nhất định, thì tất cả những cú "xóc nảy" ngẫu nhiên của các phân tử này sẽ biến thành áp suất không đổi, khi chúng được tính trung bình. Và Archimedes nói chung đã hành động trên cơ thể. Do đó, một miếng sắt lớn bị nhấn chìm, và bụi kim loại trôi trong nước.
Kích thước của các hạt, ví dụ về sự dao động của các phân tử chất lỏng, không được vượt quá 5 micromet. Đối với các đối tượng có kích thước lớn, hiệu ứng này sẽ không được chú ý ở đây.
Chuyển động Brown
Onischuk Ekaterina
Khái niệm chuyển động Brown
Định luật chuyển động Brown và ứng dụng trong khoa học
Khái niệm về chuyển động Brown theo quan điểm của lý thuyết hỗn loạn
Chuyển động bi-a
Tích hợp các fractal xác định và hỗn loạn
Khái niệm chuyển động Brown
Chuyển động Brown, hay đúng hơn là chuyển động Brown, chuyển động nhiệt của các hạt vật chất [một số micrômet và ít hơn] lơ lửng trong chất lỏng hoặc trong chất khí của các hạt. Lý do cho chuyển động Brown là một loạt các xung lực không bù mà một hạt Brown nhận được từ các phân tử chất lỏng hoặc khí xung quanh. Được R. Brown [1773 - 1858] phát hiện năm 1827. Các hạt lơ lửng chỉ nhìn thấy dưới kính hiển vi chuyển động độc lập với nhau và mô tả quỹ đạo ngoằn ngoèo phức tạp. Chuyển động Brown không giảm dần theo thời gian và không phụ thuộc vào tính chất hóa học của môi trường. Cường độ của chuyển động Brown tăng lên khi nhiệt độ của môi trường tăng lên và với sự giảm độ nhớt và kích thước hạt của nó.
A. Einstein và M. Smoluchowski đã đưa ra lời giải thích nhất quán về chuyển động Brown vào năm 1905-06 trên cơ sở lý thuyết động học phân tử. Theo lý thuyết này, các phân tử của chất lỏng hoặc chất khí chuyển động nhiệt không đổi, và các xung lực của các phân tử khác nhau không giống nhau về độ lớn và hướng. Nếu bề mặt của một hạt được đặt trong một môi trường như vậy là nhỏ, như trường hợp của một hạt Brown, thì các tác động mà hạt phải trải qua từ các phân tử xung quanh nó sẽ không được bù đắp chính xác. Do đó, kết quả của việc "bắn phá" các phân tử, một hạt Brown chuyển động không trật tự, làm thay đổi độ lớn và hướng của vận tốc của nó xấp xỉ 10 14 lần mỗi giây. Khi quan sát chuyển động Brown, nó được cố định [xem Hình. . 1] vị trí của hạt trong những khoảng thời gian đều đặn. Tất nhiên, giữa các lần quan sát, hạt không chuyển động theo đường thẳng, nhưng sự liên kết các vị trí liên tiếp bằng các đường thẳng sẽ cho ta một bức tranh có điều kiện về chuyển động.
Chuyển động nâu của một hạt gummigut trong nước [Hình 1]
Định luật chuyển động Brown
Các quy luật của chuyển động Brown đóng vai trò như một xác nhận rõ ràng về các quy định cơ bản của lý thuyết động học phân tử. Bức tranh tổng quát của chuyển động Brown được định luật Einstein mô tả cho bình phương trung bình của độ dịch chuyển của hạt
dọc theo hướng x bất kỳ. Nếu một số lượng đủ lớn va chạm của một hạt với các phân tử xảy ra trong thời gian giữa hai lần đo, thì tỷ lệ với thời gian này t: = 2DỞ đây NS- Hệ số khuếch tán, được xác định bằng lực cản của môi trường nhớt đối với hạt chuyển động trong đó. Đối với các hạt hình cầu có bán kính, và nó bằng:
D = kT / 6pha, [2]
trong đó k là hằng số Boltzmann, NS - nhiệt độ tuyệt đối, h - độ nhớt động lực của môi chất. Lý thuyết chuyển động Brown giải thích chuyển động ngẫu nhiên của một hạt bằng tác dụng của lực ngẫu nhiên từ các phân tử và lực ma sát. Tính chất ngẫu nhiên của lực có nghĩa là tác dụng của nó trong khoảng thời gian t 1 hoàn toàn không phụ thuộc vào tác dụng trong khoảng thời gian t 2, nếu các khoảng này không trùng nhau. Lực trung bình trong một thời gian đủ dài bằng không, và độ dịch chuyển trung bình của hạt Brown Dc cũng bằng không. Các kết luận của lý thuyết chuyển động Brown hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm, các công thức [1] và [2] đã được xác nhận bởi các phép đo của J. Perrin và T. Svedberg [1906]. Trên cơ sở các quan hệ này, hằng số Boltzmann và số Avogadro được xác định bằng thực nghiệm phù hợp với các giá trị của chúng thu được bằng các phương pháp khác. Lý thuyết chuyển động Brown đóng một vai trò quan trọng trong việc thành lập cơ học thống kê. Ngoài ra, nó còn có giá trị thiết thực. Trước hết, chuyển động Brown giới hạn độ chính xác của các dụng cụ đo lường. Ví dụ, giới hạn chính xác của các số đọc của điện kế gương được xác định bởi sự rung lắc của gương, giống như một hạt Brown bị bắn phá bởi các phân tử không khí. Định luật chuyển động Brown xác định chuyển động ngẫu nhiên của các electron, nguyên nhân gây ra nhiễu trong mạch điện. Tổn thất điện môi trong chất điện môi được giải thích bằng các chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử lưỡng cực tạo nên chất điện môi. Chuyển động ngẫu nhiên của các ion trong dung dịch điện phân làm tăng điện trở của chúng.
Khái niệm về chuyển động Brown theo quan điểm của lý thuyết hỗn loạn
Ví dụ, chuyển động Brown là chuyển động ngẫu nhiên và hỗn loạn của các hạt bụi lơ lửng trong nước. Loại chuyển động này được cho là khía cạnh của hình học fractal có ứng dụng thực tế nhất. Chuyển động Brown ngẫu nhiên tạo ra một biểu đồ tần số có thể được sử dụng để dự đoán những thứ liên quan đến lượng lớn dữ liệu và thống kê. Một ví dụ điển hình là giá len, mà Mandelbrot dự đoán bằng cách sử dụng chuyển động Brown.
Biểu đồ tần số được tạo bằng cách vẽ biểu đồ từ các số Brown cũng có thể được chuyển đổi thành âm nhạc. Tất nhiên, loại nhạc fractal này không mang tính âm nhạc gì cả và thực sự có thể khiến người nghe mệt mỏi.
Bằng cách vẽ ngẫu nhiên các số Brown, bạn có thể nhận được một Fractal bụi như hình được hiển thị ở đây làm ví dụ. Ngoài việc sử dụng chuyển động Brown để tạo ra Fractal từ Fractal, nó cũng có thể được sử dụng để tạo phong cảnh. Trong nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng, chẳng hạn như Star Trek, kỹ thuật chuyển động của người Brown đã được sử dụng để tạo ra cảnh quan ngoài hành tinh như những ngọn đồi và hình ảnh địa hình của các cao nguyên cao.
Những kỹ thuật này rất hiệu quả và có thể được tìm thấy trong cuốn sách Hình học Fractal của Tự nhiên của Mandelbrot. Mandelbrot đã sử dụng Brownian Lines để tạo ra các đường bờ biển đứt gãy và bản đồ đảo [thực ra chỉ là các chấm ngẫu nhiên] từ chế độ xem mắt của một con chim.
CHUYỂN ĐỘNG BÓNG HÓA ĐƠN
Bất cứ ai đã từng nhặt một cue bida đều biết rằng chìa khóa của trò chơi là độ chính xác. Một sai lầm nhỏ nhất trong góc sút có thể nhanh chóng dẫn đến sai sót rất lớn về vị trí bóng chỉ sau một vài pha va chạm. Sự nhạy cảm với các điều kiện ban đầu, được gọi là hỗn loạn, là một rào cản không thể vượt qua đối với bất kỳ ai hy vọng có thể dự đoán hoặc kiểm soát quỹ đạo của trái bóng sau hơn sáu hoặc bảy lần va chạm. Và đừng nghĩ rằng vấn đề nằm ở bụi trên bàn hoặc ở tay không vững. Trên thực tế, nếu bạn sử dụng máy tính của mình để xây dựng một mô hình chứa bàn bi-a không có ma sát, khả năng kiểm soát vô nhân đối với độ chính xác của vị trí tín hiệu, bạn vẫn sẽ không thể dự đoán quỹ đạo của quả bóng trong thời gian đủ lâu!
Bao lâu? Điều này phụ thuộc một phần vào độ chính xác của máy tính của bạn, nhưng phụ thuộc nhiều hơn vào hình dạng của bàn. Đối với một bàn tròn hoàn hảo, bạn có thể tính toán tới khoảng 500 vị trí va chạm với sai số khoảng 0,1 phần trăm. Nhưng điều đáng để thay đổi hình dạng của chiếc bàn để nó trở nên ít nhất là hơi bất thường [hình bầu dục], và sự khó đoán của quỹ đạo có thể vượt quá 90 độ sau 10 lần va chạm! Cách duy nhất để có được hình ảnh về hành vi chung của một quả bóng bida nảy ra khỏi bàn sạch là vẽ biểu đồ góc nảy hoặc độ dài vòng cung cho mỗi lần đánh. Đây là hai lần phóng đại liên tiếp của một bức tranh không gian theo pha như vậy.
Mỗi vòng lặp riêng lẻ hoặc khu vực phân tán các điểm đại diện cho hành vi của quả bóng, do một tập hợp các điều kiện ban đầu. Vùng của hình ảnh hiển thị kết quả của một thí nghiệm cụ thể được gọi là vùng hấp dẫn đối với một tập hợp các điều kiện ban đầu nhất định. Như bạn có thể thấy, hình dạng của chiếc bàn được sử dụng cho các thí nghiệm này là phần chính của các vùng hấp dẫn, được lặp lại tuần tự theo tỷ lệ giảm dần. Về mặt lý thuyết, sự tương tự này sẽ tiếp tục mãi mãi và nếu chúng ta phóng to bản vẽ ngày càng nhiều, chúng ta sẽ có được tất cả các hình dạng giống nhau. Đây được gọi là một từ rất phổ biến ngày nay, từ fractal.
TÍCH HỢP CÁC KHOẢNG CÁCH VÀ CHAOS ĐÃ XÁC ĐỊNH
Từ những ví dụ được coi là về Fractal xác định, bạn có thể thấy rằng chúng không thể hiện bất kỳ hành vi hỗn loạn nào và chúng thực sự rất dễ đoán. Như bạn đã biết, lý thuyết hỗn loạn sử dụng một Fractal để tái tạo hoặc tìm ra các mẫu nhằm dự đoán hành vi của nhiều hệ thống trong tự nhiên, chẳng hạn như vấn đề di cư của loài chim.
Bây giờ chúng ta hãy xem điều này thực sự xảy ra như thế nào. Sử dụng một Fractal được gọi là Cây Pythagore, không được xem xét ở đây [nhân tiện, nó không được Pythagoras phát minh ra và không liên quan gì đến định lý Pythagore] và chuyển động Brown [hỗn loạn], chúng ta hãy thử bắt chước một cây thật. Thứ tự của lá và cành trên cây khá phức tạp và ngẫu nhiên, và có lẽ không phải là thứ đủ đơn giản để một chương trình ngắn 12 dòng có thể mô phỏng được.
Đầu tiên, bạn cần tạo Cây Pythagoras [bên trái]. Nó là cần thiết để làm cho thùng dày hơn. Ở giai đoạn này, chuyển động Brown không được sử dụng. Thay vào đó, mỗi đoạn thẳng bây giờ đã trở thành một đường đối xứng cho hình chữ nhật trở thành thân cây và các nhánh bên ngoài.
Chuyển động Brown- trong khoa học tự nhiên, sự chuyển động không có trật tự của các hạt cực nhỏ, có thể nhìn thấy, lơ lửng trong chất lỏng [hoặc khí] [hạt màu nâu] của một chất rắn [hạt bụi, hạt huyền phù, hạt
phấn hoa, v.v.] do chuyển động nhiệt của các phần tử lỏng [hoặc khí]. Không nên nhầm lẫn khái niệm "chuyển động Brown" và "chuyển động nhiệt": Chuyển động Brown là hệ quả và bằng chứng về sự tồn tại của chuyển động nhiệt.
Bản chất của hiện tượng
Chuyển động Brown xảy ra do tất cả các chất lỏng và khí đều bao gồm các nguyên tử hoặc phân tử - các hạt nhỏ nhất đang chuyển động nhiệt hỗn loạn liên tục, và do đó liên tục đẩy hạt Brown từ các phía khác nhau. Người ta nhận thấy rằng các hạt lớn có kích thước trên 5 micron thực tế không tham gia chuyển động Brown [chúng đứng yên hoặc trầm tích], các hạt nhỏ hơn [nhỏ hơn 3 micron] chuyển động dần dần theo những quỹ đạo rất phức tạp hoặc quay. Khi một vật thể lớn được ngâm trong môi trường, các chấn động xảy ra với số lượng rất lớn được tính trung bình và tạo thành một áp suất không đổi. Nếu một vật thể lớn được bao quanh bởi môi trường ở tất cả các phía, thì áp suất thực tế là cân bằng, chỉ còn lại lực nâng của Archimedes - một vật thể như vậy sẽ nổi lên hoặc chìm xuống một cách trơn tru. Nếu vật thể nhỏ, giống như một hạt Brown, thì sự dao động áp suất trở nên đáng chú ý, tạo ra một lực thay đổi ngẫu nhiên đáng chú ý, dẫn đến dao động của hạt. Các hạt màu nâu đỏ thường không chìm hoặc nổi, mà ở trạng thái lơ lửng trong môi trường.
Khám phá chuyển động Brown
Hiện tượng này được R. Brown phát hiện năm 1827, khi ông đang tiến hành nghiên cứu phấn hoa thực vật. Nhà thực vật học người Scotland Robert Brown [đôi khi họ của ông được phiên âm là Brown] trong suốt cuộc đời của mình với tư cách là người sành sỏi nhất về thực vật đã nhận được danh hiệu "Hoàng tử của các nhà thực vật học". Ông đã có nhiều khám phá tuyệt vời. Năm 1805, sau một chuyến thám hiểm kéo dài 4 năm đến Úc, ông đã mang đến Anh khoảng 4000 loài thực vật Úc chưa được các nhà khoa học biết đến và dành nhiều năm để nghiên cứu chúng. Cây mô tả được mang từ Indonesia và Trung Phi. Ông nghiên cứu sinh lý thực vật, lần đầu tiên mô tả chi tiết về nhân của tế bào thực vật. Viện Hàn lâm Khoa học Petersburg đã phong ông trở thành thành viên danh dự. Nhưng tên tuổi của nhà khoa học ngày nay được biết đến rộng rãi không phải vì những công trình này. Năm 1827 Brown tiến hành nghiên cứu phấn hoa thực vật. Đặc biệt, ông quan tâm đến cách phấn hoa tham gia vào quá trình thụ tinh. Một lần ông kiểm tra dưới kính hiển vi các hạt tế bào chất dài lơ lửng trong nước, được phân lập từ các tế bào phấn hoa của loài thực vật Bắc Mỹ Clarkia pulchella [Clarkia khá]. Đột nhiên, Brown nhìn thấy những hạt rắn nhỏ nhất, khó có thể nhìn thấy trong một giọt nước, đang không ngừng run rẩy và di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Ông phát hiện ra rằng những chuyển động này, theo cách nói của ông, "không liên quan đến các dòng chảy trong chất lỏng, hoặc với sự bay hơi dần dần của nó, mà là vốn có trong bản thân các hạt."Quan sát của Brown đã được các nhà khoa học khác xác nhận. Các hạt nhỏ nhất hoạt động như thể chúng còn sống, và "vũ điệu" của các hạt tăng tốc khi nhiệt độ tăng và kích thước hạt giảm, và rõ ràng là chậm lại khi nước được thay thế bằng một môi trường nhớt hơn. Hiện tượng kỳ thú này không bao giờ dừng lại: nó có thể được quan sát bao lâu tùy thích. Lúc đầu, Brown thậm chí còn nghĩ rằng các sinh vật thực sự lọt vào trường của kính hiển vi, đặc biệt là vì phấn hoa là tế bào sinh sản đực của thực vật, nhưng các hạt từ cây chết, thậm chí từ những hạt khô trước đó hàng trăm năm trong các vườn thảo mộc, cũng là đưa vào. Sau đó Brown tự hỏi liệu đây có phải là "các phân tử cơ bản của các sinh vật", mà nhà tự nhiên học nổi tiếng người Pháp Georges Buffon [1707-1788], tác giả của Bộ lịch sử tự nhiên gồm 36 tập, đã nói. Giả định này đã bị loại bỏ khi Brown bắt đầu điều tra những vật thể vô tri vô giác; lúc đầu chúng là những hạt than rất nhỏ, cũng như bồ hóng và bụi của không khí Luân Đôn, sau đó được nghiền mịn thành các chất vô cơ: thủy tinh, nhiều khoáng chất khác nhau. “Các phân tử hoạt động” có ở khắp mọi nơi: “Trong mọi khoáng chất,” Brown viết, “mà tôi đã cố gắng nghiền thành bụi đến mức nó có thể lơ lửng trong nước một thời gian, tôi nhận thấy, với số lượng nhiều hơn hoặc ít hơn, những phân tử này . "
Lý thuyết chuyển động Brown
Xây dựng lý thuyết cổ điểnNăm 1905, lý thuyết động học phân tử được tạo ra để mô tả định lượng chuyển động Brown. Đặc biệt, ông đã suy ra một công thức cho hệ số khuếch tán của các hạt Brown hình cầu:
ở đâu NS- hệ số khuếch tán, NS- hằng số khí phổ, NS- nhiệt độ tuyệt đối, n MỘT- hằng số Avogadro, Một- bán kính hạt, ξ - độ nhớt động lực học.
Xác nhận thử nghiệm
Công thức của Einstein đã được xác nhận bởi các thí nghiệm của a và các học trò của ông vào năm 1908-1909. Với tư cách là các hạt Brown, họ sử dụng hạt nhựa từ cây mastic và gummigut - loại nhựa đặc màu trắng đục của các cây thuộc chi Garcinia. Tính hợp lệ của công thức được thiết lập cho các kích thước hạt khác nhau - từ 0,212 micron đến 5,5 micron, cho các dung dịch khác nhau [dung dịch đường, glycerin] trong đó các hạt di chuyển.//ru.wikipedia.org/wiki/