История открытия броуновского движения, основные закономерности, методы наблюдения. Экспериментальное обоснование формулы Эйнштейн-Смолуховского. Разработка компьютерной программы для проведения виртуальной лабораторной работы по броуновскому движению.
Аннотация к работе
В 1908 году Жан Батист Перрен начал уникальную, как оказалось потом, серию опытов по количественной проверке теоретической зависимости, полученной тремя годами ранее Марианом Смолуховским и Альбертом Энштейном. Изучение явления броуновского движения и его закономерностей в настоящее время включено в образовательные минимумы школ и вузов нашей страны. проанализировать технологии демонстрации броуновского движения; проанализировать учебные программные продукты, демонстрирующие броуновское движение; подобрать материалы и оборудование для проведения лабораторной работы «Броуновское движение»;Это явление открыто Робертом Броуном в 1827 г., когда он проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения, взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца - это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях.Специальные исследования показали, что характер броуновского движения зависит от свойств жидкости и газа, в котором взвешены частицы, но не зависит от свойств самих частиц. Скорость движения броуновских частиц возрастает с повышением температуры и с уменьшением размеров частиц. Все эти закономерности легко объяснить, если примять, что движения взвешенных частиц возникают вследствие ударов, испытываемых ими со стороны движущихся молекул жидкости или газа, в котором они находятся. При полной беспорядочности молекулярных движений можно, казалось бы, ожидать, что число ударов, обрушивающихся на частицу с какого-нибудь направления, должно быть в точности равно числу ударов с противоположного направления, так что все эти толчки должны полностью компенсировать друг друга и частицы должны оставаться неподвижными. Для малых же частиц общее число испытываемых ими толчков сравнительно невелико, так что преобладание числа ударов то одного, то другого направления становится заметным и именно благодаря таким флуктуациям числа ударов и возникают те характерные, как бы судорожные движения взвешенных частиц, которые и называются броуновским движением.Кроме того, сами экспериментальные результаты были неотчетливы: фантастическое зрелище безостановочно мечущихся частиц гипнотизировало экспериментаторов, и какие именно характеристики явления нужно измерять, они не знали. Вследствие неполной компенсации ударов молекул на броуновскую частицу действует, как было отмечено выше, некоторая результирующая сила , под действием которой частицы и движутся. Кроме этой силы на частицу действует сила трения , вызванная вязкостью среды и направленная против силы . Уравнение движения частицы (второй закон Ньютона) имеет вид: , (2) где m - масса частицы, r - ее радиус-вектор относительно произвольной системы координат, - скорость частицы и - равнодействующая сил, вызванных ударами молекул. Каждая частица все время подвергается соударениям с молекулами, после чего она меняет направление своего движения.Крошечные шарики почти сферической формы и примерно одинакового размера Перрен получал из гуммигута - сгущенного сока некоторых тропических деревьев. Эти крошечные шарики были взвешены в глицерине, содержащем 12 % воды; вязкая жидкость препятствовала появлению в ней внутренних потоков, которые смазали бы картину. Следует отметить, что окуляр микроскопа был снабжен сеткой взаимно перпендикулярных линий, служивших координатной системой. Пользуясь этой сеткой, Перрен отмечал на ней последовательные положения одной частицы через определенные промежутки времени (30 с), потом зарисовывал (конечно, в сильно увеличенном масштабе) на разграфленном листе бумаги положение частиц. Соединив затем точки, отмечающие положения частицы, он получил картинку замысловатых траекторий.В газете «1 сентября» Физика №16/08 опубликована статья «Броуновское движение «глазами» цифрового микроскопа». В ней автор /Царьков И.С./ рассказывает об опыте МОУ СОШ № 29 города Подольска, преподавательский коллектив которой при изучении броуновского движения пользуется комплексом современного оборудования, в состав которого входят компьютер, микроскоп со встроенной цифровой камерой, интерактивная доска и мультимедийный проектор (или телевизор). В качестве микрочастиц для эксперимента используются минеральные частицы, содержащиеся в молоке, они примерно одного размера, порядка 1-2 мкм. (Такую кювету можно сделать следующим образом: две половинки покровного стекла толщиной 0,1 мм наклеиваются теплым парафином на предметное стекло на некотором расстоянии друг от друга. Для проведения эксперимента необходимо два человека: один с помощью винта тонкой регулиров
План
Содержание
Введение
Глава 1. Общие сведения о броуновском движении
1.1 История открытия броуновского движения
1.2 Качественное рассмотрение броуновского движения
2.1 Анализ лабораторных работ по броуновскому движению
2.2 Анализ компьютерных демонстраций броуновского движения
2.3 Рекомендации по подготовке оборудования для наблюдения броуновского движения
2.4 Постановка демонстрации броуновского движения
2.5 Способы оценки размеров броуновской частицы
2.6 Лабораторная работа броуновское движение
Заключение
Список литературы
Приложение
Приложение 2
Введение
Актуализация проблемы. В 2008 году исполнилось сто лет знаковому событию в истории физики. В 1908 году Жан Батист Перрен начал уникальную, как оказалось потом, серию опытов по количественной проверке теоретической зависимости, полученной тремя годами ранее Марианом Смолуховским и Альбертом Энштейном. Требуемые измерения были столь сложными и тонкими, что сам Эйнштейн сомневался даже в принципиальной возможности их осуществления. Однако, Перрену, с помощью своих экспериментов, удалось доказать справедливость формулы Эйнштейна-Смолуховского.
За проведение этих уникальных экспериментов Перрен получил Нобелевскую премию, но даже через сто лет человечество не потеряло интереса к этому физическому явлению.
Изучение явления броуновского движения и его закономерностей в настоящее время включено в образовательные минимумы школ и вузов нашей страны. К сожалению, преподаватели при изложении материала посвященному броуновскому движению часто ограничиваются только теорией, т.к. его трудно увидеть невооруженным глазом. В то время как для наилучшего усвоения данного материала просто необходимо использовать учебный физический эксперимент в виде демонстрационных и лабораторных работ. Эксперимент в целом является неотъемлемой органической частью курса физики. Удачное сочетание теоретического материала и эксперимента дает, как показывает практика, наилучший педагогический результат.
Цель дипломной работы: постановка лабораторной работы «броуновское движение».
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач: - анализ литературы;
- проанализировать технологии демонстрации броуновского движения;
- подобрать материалы и оборудование для проведения лабораторной работы «Броуновское движение»;
- разработать программу для виртуальной лабораторной работы «Броуновское движение»;
- подготовить методическое описание лабораторной работы «Броуновское движение».
Вклад автора. Постановка лабораторной работы «Броуновское движение», разработана компьютерная модель, имитирующая движение броуновской частицы в среде.
Реализация результатов работы. Разработанная лабораторная работа в дальнейшем будет использована на занятиях лабораторного практикума в вузе, а так же для демонстрации движения броуновской частицы на уроках физики в школах.
Структура. Дипломная работа состоит из введения, двух глав, заключения.
Во введении обосновывается актуальность темы дипломной работы, формулируется ее цель, производится постановка задач, излагается краткое содержание работы по главам.
Первая глава посвящена теоретическому рассмотрению явления броуновского движения.
Во второй главе приведены описания компьютерных и естественных демонстраций, а так же лабораторные работы «Броуновское движение», которые встречаются в литературе; описана экспериментальная установка; изложены качественные результаты экспериментальных исследований броуновского движения; представлена разработанная компьютерная программа для проведения виртуальной лабораторной работы по броуновскому движению, изложены методические рекомендации по работе с ней.