Основные сведения о броуновском движении в физике
Английский ботаник Р. Броун открыл движение, которое получило свой название в его честь. Изучая в 1827 году пыльцу различных растений, он поставил перед собой задачу: достоверно решить, какое значение она играет в процессе размножения. В качестве рабочего инструмента он использовал микроскоп. Проводя микроскопические наблюдения, Броун заметил извилистые движения мелких частиц. При этом увеличение скорости их движения происходило при повышении температуры среды. Кроме того, более интенсивным было движение частиц совсем самых незначительных размеров. Характеристика движения определялась и свойствами самой среды: чем ее вязкость была значительнее, чем движение было медленнее. Примечание
Такое движение было названо броуновским. Его наблюдали и другие ученые, однако в то время никто не мог объяснить его причины. На первый взгляд казалось, что в нем отсутствуют закономерности, а доказательства скорости и направления передвижения молекул не существуют.
Так было вплоть до конца XIX века. Объяснение, предложенное Винером в 1863 году, многим пришлось не по душе. В нем говорилось, что движение вызвано колебаниями атомов, которые визуально не фиксируются. Во взглядах Винера прослеживалась линия зависимости скорости передвижения частиц от их величины. Еще позднее объяснение дал У. Рамзай. Он предположил, что в процессе броуновского движения роль «провокаторов» играют мелкие частицы, испытывающие давление от столкновений.
Открытия Броуна и прочих ученых, изучающих эти процессы, легли в основу атомно-молекулярной теории. Они еще раз подтвердили, что вещества состоят из атомов (молекул), которые располагаются в пространстве определенным образом и не исключают взаимодействия друг с другом.
В физике известно явление, описывающие взаимное проникновение молекул одного вещества в молекулы другого. Это диффузия. Несмотря на определенное сходство двух понятий (броуновское движение и диффузия), это не одно и то же. При диффузии движение молекул прямолинейно. Направление меняется только после столкновения. В то же время броуновская частица просто так не движется. Она мелко и часто дрожит, в результате чего движется хаотическим образом. Источник: www.poznavayka.org Микроскопическое объяснение двух похожих процессов заключается в том, что броуновская частица движется в результате своих столкновений с еще более мелкими частицами, а при диффузии наблюдаются столкновения подобных частиц.
Объяснение броуновского движения
Что же могло обусловить броуновское движение? Дело в том, что наблюдение за пыльцой, молекулы которой двигались, Броун производил в капле воды. Однако ее микрочастиц в микроскоп видно не было. Поэтому получалось, что молекулы пыльцы двигались хаотически, сами по себе. На самом деле в основе такого движения лежали постоянные столкновения молекул пыльцы с молекулами воды, которые окружали со всех сторон. Поскольку молекулы воды меньше и слабее микрочастиц пыльцы, сдвинуть их с места не получалось, однако обнаружить «дрожание на месте» было реально. При этом оно не прекращалось.
Ответ о причине броуновского движения дал науке Альберт Эйнштейн, а в 1908 году Ж. Б. Перрен подтвердил его экспериментально. Его серия опытов показала, что в природе существуют атомы, и их удары постоянно сопровождают броуновские частицы.
С тех пор как было дано определение броуновского движения и выяснены причины, его вызывающие, получили объяснение многие процессы, происходящие вокруг человека в быту.
Особенности явления
Рассматривая законы броуновского движения, многие пытались проверить, действуют ли они для крупных тел. Оказалось, что нет. Причина — если длина предмета, который находится в жидкости, невелика, «толчки» молекул превращаются в постоянное давление. Определение
Броуновское движение представляет собой тепловое движение частиц, которые взвешены в жидкости или газе.
Например, движение капелек молочного жира в самом молоке, молекул краски в ее водном растворе и т. п. Дело в том, что удары о молекулу вещества (броуновскую частицу) с разных сторон не равны, и не уравновешивают друг друга по направлению и силе. Поэтому суммарная сила воздействия на частицу не равна нулю и вызывает изменения в ее движении. Этот признак — объяснение процесса броуновского движения и отличия его от диффузии.
Открытие броуновского движения стало доказательством того факта, что все тела состоят из частиц. Эти частицы (молекулы) не находятся в покое, а совершают постоянные беспорядочные движения, характеристику которых дают физические уравнения.
Зависимость броуновского движения частиц от температуры среды не говорит о том, что это тепловой процесс. Такое утверждение верно, несмотря на то, что одно из свойств теплового движения — хаотичное движение молекул. Краткое объяснение этому следующее. Частицы, имеющие название «броуновские», не являются частицами самого вещества. Их движения происходят по причине ударов молекул с различных сторон. Поэтому в физике считается, что тепловое движение — фактор, обуславливающий броуновское движение. В пользу справедливости такого утверждения свидетельствует следующий опыт. Краску, растертую до мелких крупинок, высыпают в воду. Эти крупинки начинают непрерывное движение, которое является примером броуновского. В этом опыте частички краски не являются водой, а представляют инородное тело в жидкой среде. Напротив, движение молекул воды — тепловое.
Примеры броуновского движения в реальной жизни
В жизни случаев применения теории броуновского движения гораздо меньше, чем диффузии, яркими образцами которой являются попадание в кровь человека кислорода или поглощение растениями углекислого газа из воздуха. Простыми словами можно объяснить поступление жидкости из грунта в стебель и листья растений и дыхание рыб кислородом, попавшим в воду из атмосферы посредством той же диффузии. Назвать факты проявления броуновского движения в реальной жизни гораздо труднее. Однако они все-таки присутствуют. Рассмотрим теорию «случайных блужданий». К примеру, человек, гуляющий по лесу без всяких ориентиров, как-то непонятно возвращается на место, откуда его прогулка началась. С одной стороны, может показаться, что он ходит по кругу и возвращается в точку отсчета путешествия по прохождению окружности по ее периметру. Истина заключается в том, что нет движения по кругу, а есть подобие броуновского движения частиц. Прежнее месте может быть достигнуто человеком совершенно случайно, а вот фактов пересечения им своего собственного пути присутствует очень много. Если смотреть фильмы про замерзших в зимнюю стужу людей, то обращаешь внимание на то, что их часто находят вблизи жилья человека. Однако почему путник не преодолел остаток этого пути? Для ответа на этот вопрос целесообразно использовать формулу, позволяющую рассчитать, какое расстояние пройдет человек по прямой линии, если он не ориентируется ни на какие предметы? Изучением вопроса занимался Б. С. Горобец. В ходе эксперимента человек, которого поставили в центр стадиона и завязали ему глаза, пройдет по прямой всего 20 метров. После этого траектория его пути начинает изгибаться, а затем он останавливается. Теперь предположим, что человек идет со скоростью 2 км/ч. Тогда, пройдя за час 2 км, он сместится всего на 200 м, а за два часа — на 280 м и т.п. Если же движение будет «по прямой», то за 2 часа студент должен пройти 4 км. Именно поэтому при потере в пути ориентира рекомендуется остановиться на месте, чтобы переждать непогоду или дождаться помощи.
Учитель непонятно объясняет предмет?
Источник
1. Броуновское движение
Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических видимых, плавающих в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
В \(1827\) году ботаник Роберт Броун наблюдал в микроскоп плавающие в воде частички цветочной пыльцы и обнаружил, что частицы пыльцы оживлённо и беспорядочно двигались, то вращаясь, то перемещаясь с места на место. Впоследствии оказалось, что подобное сложное зигзагообразное движение характерно для любых частиц малых размеров (\(1\) мкм), взвешенных в газе или жидкости. Причина броуновского движения долго оставалась неясной. Лишь через \(80\) лет после обнаружения этого эффекта ему было дано объяснение.
Хаотическое движение инородных частиц в жидкости объясняется неравномерными столкновениями постоянно движущихся молекул воды с данными частицами — частица полетит туда, куда её направит наибольший импульс столкновения.
Так как молекулы движутся хаотически, то броуновские частицы получают толчки с разных сторон, поэтому и совершают движение столь причудливой формы.
На анимации (рис. \(2\)) голубой круг обозначает частицу пыльцы, движение которой изучал Броун. Жёлтые точки — движущиеся молекулы воды. Одна молекула не может сдвинуть частицу. Множество молекул случайным образом сталкиваются с частицей с одной стороны. Импульс нескольких молекул воды отбрасывает частицу пыльцы. Через некоторое время такое явление повторяется в другом направлении.
Источник
Броуновское движение
Броуновское движение – хаотичное движение мельчайших видимых частиц твердого вещества в газе или жидкости. Так в чем суть, и чем обусловлено броуновское движение частиц?
Открытие броуновского движения
В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал за движением пыльцевых зерен в жидкости. Он обнаружил, что эти мельчайшие частицы безостановочно и хаотично движутся в воде. Этот случай его очень удивил, первой его реакцией было высказывание о том, что, наверное, пыльца живая, раз может двигаться. Поэтому тот же опыт он проделал с неорганическими веществами. И уже на основе этого примера выяснил, что частицы определенных размеров, независимо от того, органические они или неорганические, движутся хаотично и безостановочно в жидкостях и газе.
Уже позже было установлено, что в зависимости от размера частицы участвуют или не участвуют в броуновском движении. Если размер частицы более 5 мкм, то эти частицы в броуновском движении практически не участвуют. Если размер частиц менее 3 мкм, то эти частицы движутся хаотично, поступательно, либо вращаются.
Броуновские частицы в водной среде обычно не тонут, но и не всплывают на поверхность. Они находятся в толще жидкости во взвешенном состоянии
Уже в XIX веке броуновское движение изучал французский физик Луи Жорж Гуи. Он установил, что чем меньше внутреннее трение жидкости, тем броуновское движение становится интенсивнее.
Броуновское движение не зависит от освещения и внешнего электромагнитного поля. Оно вызвано влиянием теплового движения молекул.
Общая характеристика броуновского движения
Броуновское движение имеет место быть, так как все жидкости и газы состоят из атомов и молекул, которые постоянно находятся в движении. Следовательно, броуновская частица, попадая в жидкую или газообразную среду, подвергается воздействию этих атомов и молекул, которые двигают и толкают ее.
Когда в жидкую или газообразную среду помещено крупное тело, то толчки формируют постоянное давление. Если же среда окружает крупное тело со всех сторон, то давление уравновешивается, и на тело действует только сила Архимеда. Такое тело либо всплывает, либо тонет.
Основной физический принцип лежащий в основе законов броуновского движения заключается в том, что средняя кинетическая энергия движения молекул жидкого или газообразного вещества равна средней кинетической энергии любой частицы, подвешенной в этой среде. Поэтому среднюю кинетическую энергию $E$ поступательного движения броуновской частицы можно вычислить по формуле: $E = = $, где m- масса броуновской частицы, v- скорость броуновской частицы, k- постоянная Больцмана, T- температура. Из этой формулы становится ясно, что средняя кинетическая энергия броуновской частицы, а значит и интенсивность её движения растёт с увеличением температуры.
Броуновское движение объясняется тем, что благодаря случайной неодинаковости количества ударов молекул жидкости о частицу с разных направлений возникает равнодействующая сила определенного направления.
Что мы узнали?
Броуновское движение – бесконечное и хаотичное движение частиц определенного размера в газе или жидкости, молекулы и атомы которых приводят в движение эти частицы. В данной статье дается определение броуновского движения, а также объясняются причины его возникновения.
Источник